「アディティブ思考のデジタルフューチャー」シリーズ：「コスト削減と効率化」にはデザイン思考が必須

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

新興製造技術である積層造形は、登場するや否や製造業界で広く注目を集めました。まだ不十分な面もありますが、デジタル変革の重要な発展方向の1つを代表する、大きな発展の可能性と想像力を備えた技術であると一般に考えられています。

Nexperia Asia Pacificは長年にわたり、付加製造の産業応用に深く関わっており、将来のデジタル製造変革における付加製造の核心的位置を深く認識しています。長年のプロジェクト経験と思考に基づき、Nexperia Asia Pacificは「付加的思考のデジタル未来」に関する一連の記事を発表しました。この記事はシリーズの第 4 回目であり、DfAM 設計思考を使用して、積層造形におけるコスト削減と効率向上の問題を解決する方法について説明します。

「コスト削減と効率向上」に対する積層造形の答え

コスト - 積層造形の大規模応用における最大の弱点<br /> 従来の材料除去および切削加工技術と比較して、積層造形技術は、デジタルモデルを基礎として材料を層ごとに積み重ねて物理的なオブジェクトを作成する新興の製造技術であり、ネットワーク情報技術と先進的な材料技術およびデジタル製造技術の密接な統合を体現しています。高性能な複雑な構造部品を金型なしで、迅速に、完全に高密度に、ほぼネットシェイプに成形できるという利点を持つ積層造形技術の登場により、複雑な構造の最適化設計、迅速な設計検証、小ロット部品の迅速な製造、迅速な顧客対応などの重要な問題に対する新たな解決策がもたらされました。

積層造形技術の実際の応用においては、コストがこの技術の大規模な推進を制限する重要な要因となっている。実務者の 38% は、付加製造技術には独自の利点があるものの、コストの高さが最大の弱点であると考えています。一般的に言えば、積層造形は複雑な構造部品の小ロット試作にのみ適しています。

3Dプリントを制限する要因

バッチあたりの 3D プリント部品の数

新しい技術を商業的に適用するには、そのコスト構造を明確かつ明確に分析する必要があり、積層造形も例外ではありません。積層造形製品の場合、コストを計算する際には次の 7 つの側面を考慮する必要があります。

設計開発コスト: 製品構造設計、機能シミュレーション、プロセス検証コスト。一般的に言えば、積層造形の製品構造は従来の構造よりも複雑で、性能要件も高く、設計開発コストも高くなることが多いです。
原材料費: 部品の材料、補助材料、その他の材料消費。原材料費の大まかな見積もりとして、製品の最終重量にさらに 30% ～ 40% を追加することができます。
マシン時間コスト: 3D プリンターの製造プロセス中のマシンの消耗にかかるコスト。一般的に、3D プリントの全体的な機械コストは 1 時間あたり 100 ～ 300 元です。
後処理コスト: 熱処理、ワイヤーカット、機械加工、熱間静水圧プレス、手作業による研削、研磨フロー研磨、表面浸炭および窒化などの表面処理のコストが含まれます。複雑な製品や特に高い精度が求められる製品の場合、後処理コストが印刷コストを上回ることもあります。
人件費: モデルデータの準備、機械の準備、印刷プロセスの監視、機械の清掃とメンテナンス、後処理、生産管理など、生産にかかる人件費。
間接費: 設計シミュレーションなどのソフトウェア費用、水道、電気、ガスなどの間接費、賃貸料などの間接費が含まれます。
リスクコスト: 印刷の失敗によって生じる損失。一般的に、印刷時間が長くなるほど、失敗するリスクが高くなります。また、モデル構造が大きく複雑になるほど、印刷が失敗するリスクが高くなります。製品によっては 1 ～ 2 回印刷に失敗することもあります。

コスト削減と効率向上：積層造形による大量生産の実現方法

一般的に、積層造形のコスト優位性は構造の複雑さとバッチ生産量に密接に関係していると考えられています。バッチ生産量がバランスポイントを超えると、従来の鋳造、鍛造、機械加工などのプロセスがより競争力を持つようになります。構造の複雑さと代替プロセスのコストに応じて、このバランスポイントは数十から数百のピースの間になります。

しかし、GEの3Dプリント燃料ノズルは、この呪いを破ることに成功しました。これは、年間3万～4万個の生産量を誇る、世界初の大規模量産を実現した3Dプリント部品です。その理由は、付加製造による最適化設計により、エンジンの燃焼効率と燃焼安定性が向上したためです。

燃料ノズルはクルミ大の構造物（黄色のボックス内）に過ぎませんが、その中に 14 個の精密な流体チャネルが含まれています。これらの複雑な冷却チャネルにより、冷却効果が大幅に向上し、燃料ノズル内の炭素堆積率が低下し、ノズルの耐用年数が 5 倍に延長されます。

3D プリントされた燃料ノズルは、オイル流路の設計を最適化し、流路内の急激な膨張や方向の急激な変化を排除し、燃料の流量を増加させ、燃料がこれらの場所を通過するときに燃料と高温のパイプ壁との間の熱交換を減らします。

最終的に、3D プリントされた燃料ノズルは従来の方法よりも 25% 軽量で、寿命が 5 倍長くなり、コスト効率が 30% 向上します。国産のC919旅客機にも、3Dプリントされた燃料ノズルを備えたこのLeapエンジンが採用されています。
GEは2021年に、付加製造による別の量産部品、タービン空気導入部品を開発しました。精密な費用対効果評価モデルに基づき、金属3Dプリントはコスト面で鋳造プロセスと競合できることを証明しました。

GE Aviation は、数百種類の既存の鋳造品を選別し、サイズ、形状、機能、材料、プロセス、後処理などの観点からコスト分析モデルを開発し、各部品の 3D プリントのコストと利点を計算し、最終的にタービンのエアブリード部品を選択しました。レイアウトの最適化後、4 つの部品を同時に印刷できるようになり、生産性が大幅に向上し、コストが最大 35% 削減され、従来の製造プロセスを逆転させることに成功しました。

GEアビエーションの付加製造部門の責任者は、金属3Dプリントが鋳造よりも安価であることがわかったのは今回が初めてだと語った。さらに重要なのは、3D プリント部品は初期段階ですでに鋳造プロセスに基づいて設計および完成しており、鋳造に取って代わった後も金属 3D プリントはコスト上の利点を示していたことです。この発見はGE Aviationに大きな刺激を与え、同社は現在、他のエンジン用の部品を探し、金属3Dプリントを使用してコストを削減しています。

費用対効果分析 - 次なる量産部品を見つける秘訣
GE は、正確な費用対効果評価モデルを確立することで、積層造形法による部品の大量生産の秘訣を発見しました。このモデルを使用して、GE は数百の鋳造部品を評価し、最終的に数百の中から「選ばれた部品」を見つけました。

付加製造の費用対効果評価に関して言えば、私の国は現在、比較的後進的な状態にあります。その理由の一部は、わが国における積層造形の応用が航空宇宙などの軍事市場に比較的集中していることです。これは市場経済の法則がやや弱い特殊な市場です。モデル、ノード、重量、品質の確保などの要素の重要性は、コストの確保よりもはるかに高いです。積層造形は、高速、柔軟、複雑な構造への適応性、小ロット生産への適応性などの特性から恩恵を受けています。最初は軍事市場で広く使用されてきましたが、需要が大きい民間市場はややゆっくりと発展してきました。

これにより、国内の積層造形業界には価値管理の概念が欠如している。積層造形の人気に便乗するため、コストを度外視して「材料を添加するための材料添加」を行っている製品もあれば、野菜市場で野菜を買うような「ポンドで販売し、グラムで請求」する製品もあり、材料費と加工費しか稼げない状況となっている。「内部競争」が激しくても、利益を上げるのは難しい。このような状況の主な原因は、積層造形製品の設計と製造が分離されており、製品の機能的価値が限られており、他の加工方法と競合する際に交渉力が不足していることです。

費用便益分析

アンセムアジアパシフィックは、積層造形プロセス全体の完全な理解と包括的な把握に基づき、費用便益分析法やライフサイクル分析法などの評価モデルに基づいて、多数の工業製品製造事例から20個のコア判断要因を抽出し、一連のアルゴリズムミニプログラム、すなわち積層造形応用潜在力評価システムを形成しました。

この評価システムは、積層造形製品のライフサイクル全体の観点からコストと利益を考慮し、特に製品サービス中の軽量化、省エネ、効率、機能性などの点での積層設計の利益の増加、および時間、人員、組み立て、メンテナンスなどのコストの削減に焦点を当てています。また、積層造形のプロセス制約分析、製品信頼性分析、印刷リスク分析なども総合的に考慮しています。製品の積層造形の実現可能性と製品に対する積層設計の付加価値の可能性を自動的に評価し、提供された情報に基づいて積層設計と製造方法に関するガイダンス提案を生成するのに、わずか 2 分しかかかりません。

つまり、このアプレットは次の 3 つの質問に答えます。
1. 製品は積層造形に適していますか?
2. 製品の積層造形プロセス中に注意すべき問題は何ですか?
3. 積層造形製品の技術的利点をどのように向上させるか?

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DfAMの考え方——積層造形における「コスト削減と効率化」への答え
コストを削減するための DfAM デザイン思考<br /> 部品の設計段階では、印刷の方向と配置を考慮してください。必要なサポート構造の数を減らすために、可能な限り自立構造を設計します。ビルドプラットフォーム上の配置数を最大化して、一度に印刷するパーツの数を増やします。パーツの高さを可能な限り低く保って、印刷時間を短縮します。

部品設計段階で後処理方法を検討します。空間内のデッドコーナーを最小限に抑え、粉末洗浄の作業負荷とサポート除去の難しさを軽減します。印刷品質の悪い表面を、後で機械加工する必要がある表面として可能な限り設計して、表面研削と研磨の作業負荷を軽減します。位置決め、クランプなどの位置を予約して、後続の処理を容易にします。

部品の設計段階では層の厚さを考慮してください。印刷層の厚さを最大化しながら、印刷段差効果が製品に与える影響を最小限に抑えます。段差効果が明らかな領域については、後で機械加工する領域として設計するか、表面仕上げの影響を受けない領域として設計します。

効率性を向上させるための DfAM デザイン思考<br /> 軽量構造。軽量構造設計は、材料コストと印刷時間を削減できるだけでなく、さらに重要なことに、構造の耐荷重効率を高め、システムの運用コストを削減します。これは、航空宇宙分野では特に重要です。大型民間航空機の場合、構造重量を 1kg 削減すると、ライフサイクル全体で 45,000 リットルの燃料と 22,000 ユーロのコストを節約できます。

構造的/機能的統合。積層造形のデジタル化とインテリジェント化の利点を生かし、構造設計ではマクロ、メソ、ミクロの形状の調整が十分に考慮されています。構造自体の耐荷重機能を実現することを基本として、その他の機能指標も満たしています。例えば、構造の外側の放熱面積を増やして放熱機能を実現したり、内部に複雑な流路を設計して熱交換機能を実現したり、層間に格子構造を設計してエネルギー吸収機能や耐震機能を高めたりしています。

生産/ビジネスモデルの変化。付加製造は、生産設備への依存度が低いデジタル製造技術として、特定の製品の生産およびビジネスモデルを変える可能性があり、企業と消費者に多大な経済的、社会的利益をもたらします。デジタル技術の発展に伴い、生産モデルはインテリジェント時代に入り、生産効率と柔軟な対応の両方を考慮した大規模なカスタマイズ機能が中核的な競争力となっています。ジェネレーティブデザインなどの DfAM デザイン思考により、デザイナーの業界の敷居は大幅に下がり、消費者、生産、販売、物流の各側面が統合され、すべての担当者が製品ライフサイクルに直接参加できるようになりました。

△DfAMはビジネスモデルの進化を可能にする
事例分析 - DfAM 思考によるコスト削減と効率改善の成功事例<br /> ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所は、積層造形におけるコスト削減と効率向上に関する研究を数多く行っており、特にDfAMの考え方に基づく体系的なコスト削減研究で目覚ましい成果を上げています。最近、Fraunhofer IAPT は、プロセス改善と設計フェーズ構造の最適化を伴う DfAM 思考を使用してスポーツカーのドアヒンジを再設計し、コストを約 50%、重量を 35% 削減することに成功しました。

△3Dプリントドアヒンジまず、フラウンホーファーIAPTは、積層造形の可能性を評価するためのソフトウェアである3D Sparkを開発しました。 3D Spark は、Ansem Asia Pacific が独自に開発した付加製造可能性評価アプレットに似ており、付加製造に適した部品の検索をガイドする部品分析およびスクリーニング機能を備えています。これは、このプロジェクトの最終的な成功に向けた重要なステップです。選択した部品の付加的な可能性によって、コスト削減と効率改善の上限が決まります。したがって、半分の労力で 2 倍の結果を達成するには、適切な部品を見つけることが重要です。

設計段階では、ヒンジアームの構造が DfAM 設計原則に従って最適化され、積層造形の利点を最大限に活用し、形状をトポロジ的に最適化することで、ヒンジアームの重量が 35% 削減されました。材料要件の削減と印刷時間の短縮により、構造最適化を行わない設計に比べてコストが 20% 削減されました。

設計段階では、構造形態が後処理コストに与える影響も考慮する必要があります。不要なサポート構造を削減することで、製造時間と材料の量を大幅に節約し、後処理段階で発生するコストを削減できます。後処理を考慮しない設計ソリューションと比較して、コストを 10% 削減できます。

最後に、Fraunhofer IAPT が部品の印刷プロセスを最適化しました。これらには、配置と印刷方向の設計、印刷時間の短縮、印刷プロセスパラメータの最適化、機器利用効率の最適化が含まれます。その結果、このような最適化を行わない積層造形プロセスと比較して 20% のコスト削減が実現しました。

参考文献:
1. 3D HUBS: 積層造形トレンドレポート 2021
2. GE公式情報
3. デロイト：デジタルトランスフォーメーションレポート
4. 3Dサイエンスバレー：フラウンホーファーが積層造形コストを5分の1に削減する体系的なコスト削減方法を開発

-著者-
Ma Limin 氏は、Ansem Asia Pacific の Additive Design の主任専門家であり、北京航空航天大学 (COMAC) のシニアエンジニア兼ポストドクター研究員です。彼の主な研究分野は、革新的な設計と積層造形の応用です。彼が設計した製品は、多くの国内の学術賞や業界賞を受賞しています。彼は、革新的な設計と積層造形の応用において豊富な経験と独自の洞察力を持っています。