積層造形のデジタルインテリジェント製造の未来を分析する5つの側面、課題と機会が共存

この投稿は、Little Soft Bear によって 2022-1-7 14:37 に最後に編集されました。

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。アンセムアジアパシフィック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地位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、「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、このシリーズ記事の全体部分です。次に、カーボンニュートラル製造、コスト管理、インテリジェント設計、マルチソース技術統合、新エネルギーアプリケーションという 5 つの側面から、積層造形のデジタル未来について説明します。さらにエキサイティングなコンテンツをお楽しみに。

3D プリントは革命的なスマート製造技術でしょうか?
付加製造（3D プリント）技術は、過去 20 年間で急速に発展した新しい製造技術です。従来の「減算型」製造プロセスとは対照的に、積層造形は3次元デジタルモデルに基づいており、材料を重ねて積み重ねることで3次元の物体を製造します。これは、先進製造、デジタル製造、インテリジェント製造、グリーン製造を統合した製造技術であり、間違いなく将来の製造技術の重要な発展方向の1つです。同時に、積層造形は新素材、精密制御、レーザー、電子ビーム、CAD、CAE、CAMなどの技術の活発な発展を牽引し、巨大な産業波及効果をもたらしました。

積層造形は、複雑で特殊な形状の部品の製造ボトルネックを根本的に打破し、「製造が設計を導き、製造性が性能/機能よりも優先される」という従来の設計概念を変え、エンジニアの「設計の自由」を基本的に実現し、機能要件に基づく前向きな設計を可能にしました。積層造形特有のポイントバイポイント、レイヤーバイレイヤーの製造方法と、その固有のデジタル遺伝子を組み合わせることで、制御可能な材料の微細構造、調整可能な構造マクロ性能、製造プロセス全体の監視、ライフサイクル全体にわたる製品品質のトレーサビリティが可能になります。これは、将来デジタルツインを実現する可能性が最も高い技術の1つです。「設計が製造を導き、機能が設計に先行する」という変革を真に実現し、製造業の技術革新、軍民融合の深化、産業構造のアップグレードと発展のための巨大な空間を切り開きました。

積層造形は、将来の製造業の競争における主要な戦場の一つとなるだろう。 Smartechを含む9つの機関の推計によると、世界の3Dプリント市場は2020年に126億米ドルに達し、2019年比で21%増加した。アナリストは、今後3年間で3Dプリンティング市場が平均して前年比17%成長し、2026年までに372億ドルに達すると予想しています。
△世界の付加製造市場の発展動向世界の製造市場において、3Dプリンティングは占める割合は小さいものの、技術的なボトルネック期を脱し、急速な拡大に向かっていることは喜ばしいことです。 3D プリント技術の応用分野はますます広がり、応用数も増加していることは、3D プリント実践者の大多数が実感できると思います。
△3Dプリント技術の成熟曲線
2020年、わが国の3Dプリント産業の規模は200億人民元を超え、208億人民元に達し、成長率は世界全体の成長率をわずかに上回り、わが国の3D産業の世界における割合は引き続き増加しています。 CCIDのデータによると、中国の3Dプリント産業の規模は2019年に157.5億元となり、前年比31％増加した。 2020年前半は新型コロナウイルス感染症の流行による影響を受けたものの、後半には国内経済が力強く回復し、業界は急速に成長しました。
△中国の3Dプリント産業の規模現在、世界最大の3Dプリント技術の発信源は米国で、米国の3Dプリント特許出願件数は141,209件で、世界の3Dプリント特許出願総数の35.81%を占めています。次いで中国で、中国の3Dプリント特許出願件数は世界の3Dプリント特許出願総数の25.52%を占めています。日本とドイツは3位と4位にランクされているが、特許出願数では1位の米国、2位の中国との間に大きな差がある。
△世界の3Dプリント特許分布（2021年8月現在）
米国やその他の西側諸国が1980年代に3Dプリント技術の開発を始めたことを考慮すると、我が国が現在の成果を達成するのは容易ではありません。これは、我が国が過去10年間に積層造形を強力に支援してきたためです。国家付加製造産業発展計画（2015-2016年）の発表に続き、2017年11月30日、工業情報化部、国家発展改革委員会など12の部門が共同で付加製造産業発展行動計画（2017-2020年）を策定し、付加製造クラウドプラットフォームなどの新しいモデルを使用して、社会、企業、家庭における付加製造のオンラインおよびオフラインの応用経路を開拓することを具体的に言及しました。航空、航空宇宙、造船、原子力産業、自動車、電力設備、軌道交通設備、家電、金型、鋳造などの重要な製造分野で付加製造の実証応用を推進し、同時に「3Dプリント+」の実証応用を推進するという全体的な方向性があります。 2021年の「第14次5カ年計画：知能製造業発展計画」では、付加製造を重要な中核技術として挙げ、設計シミュレーションやハイブリッドモデリングなどの基本技術を突破し、付加製造や超精密加工などの先進プロセスを開発・応用し、知能認識、人間と機械の連携、無駄のない管理・制御などの共通技術を克服し、いくつかの「ボトルネック」となる基本部品やデバイスを突破することを提案した。

国内外で積層造形は今後の製造業の重要な発展方向とみなされており、今後積層造形分野での競争はますます激しくなることが予想されます。

積層造形の開発が直面する問題 付加製造は急速な発展期を迎えていますが、この技術は依然として多くの技術的課題に直面しており、デジタルインテリジェント製造の理想を実現するにはまだ長い道のりが残っています。

1) 量産事例の不足 Hubsの調査レポートによると、積層造形は現在、主にプロトタイプの検証や小ロット製造に重点が置かれており、製品の60％以上が10個未満の数量で製造され、製品の90％以上が100個未満の数量で製造されています。 GEの航空機エンジン燃料ノズルは、公開ルートで確認できる唯一の量産成功例であり、年間生産量は数万ユニットに上ります。航空産業に加え、自動車は最も量産化が期待できる産業分野です。BMWやポルシェなどの企業はすでに積層造形の産業化に関する研究を行っています。
△バッチあたりの3Dプリント部品数
2) 付加製造コストは依然として高い コストは、積層造形技術の大規模な推進を制限する主な要因です。 38%以上のユーザーは、積層造形技術には独自の利点があるものの、コストが高すぎると考えています。大量生産部品となると、依然として従来の鋳造、鍛造、機械加工などのプロセスに頼る必要があります。したがって、積層造形が製造業全体に定着するためには、コストの削減が不可欠です。 GE は最近、新しい 3D プリント部品であるタービンエアブリード部品を発売し、金属 3D プリントがコスト面で鋳造と競合できることを証明しました。近い将来、積層造形技術の継続的な進歩とコストの段階的な低下により、積層造形が従来の製造プロセスに取って代わるケースがますます増えると考えています。
△ 3Dプリントを制限する要因
3) インテリジェントな設計手法の欠如 付加製造が製造方法に革命をもたらしたと言うよりも、付加製造が設計思考に革命をもたらしたと言った方が適切でしょう。積層造形は、複雑な構造の製造可能性を実現し、多数の新しい設計手法を活性化しました。たとえば、トポロジー最適化、ラティス構造、ジェネレーティブデザイン、構造と機能の統合などの設計概念が雨後の筍のように次々と出現し、従来の製品設計の「ルーチン」は適用できなくなり、新しい設計手法をどこから始めればよいのかわかりません。ラティスやTPMSなどの多孔質構造を例にとると、その構造の複雑さと部品数の多さから設計やシミュレーションが難しく、特に多孔質構造の最適化設計法はさらに困難です。
△Ansys Asiaの多孔質構造設計ソリューション△nTopology機能モジュール現在、Ansys Asia Pacificは、さまざまな工業製品や消費財向けに一連のジェネレーティブデザイン手法を開発してきました。海外でもnTopologyに代表される付加設計シミュレーションソフトウェアが開発されています。その基本的なソリューションアイデアは、ジェネレーティブデザインなどのインテリジェント設計手法を通じて、ラティスやTPMSなどの多孔質構造の自動設計を実現し、マクロとミクロの組み合わせとマルチスケールアルゴリズムに基づく等価均質化力学法を使用してラティス構造のマクロな機械的特性を取得し、その後、ミクロレベルに戻ってマクロの計算結果に基づいてラティス構造のローカル詳細をシミュレートすることです。

4) 他の水平技術との統合が不十分 積層造形技術が盛り上がっていた時期には、あらゆるものを 3D プリントで印刷するという話が絶えず、3D プリントがすべての製造技術を覆すだろうと主張する人もいました。さらに興味深いのは、かつては 3D プリントの金型を使わない製造によって最初に混乱するターゲットと考えられていた金型業界が、現在では 3D プリントのアプリケーションが最も活発に利用されている業界になっていることです。したがって、私の意見では、現段階では、3D プリントはオブジェクトを十分に破壊しておらず、むしろ他の水平技術との統合が不十分です。たとえば、従来の 5 軸工作機械と組み合わせた付加的および減算的な複合製造は、技術統合の非常に成功した例です。上記の設計方法に加えて、3Dプリンティングは現在、材料ゲノム、高精度エネルギー制御、デジタルツイン、新エネルギー、グリーン製造などの先進技術と組み合わせることが緊急に求められています。同時に、3D プリンティングの応用分野を拡大するためには、さまざまな業界との統合がまだ不十分です。

付加的な思考がパラダイムの変化を推進する 積層造形技術の登場により、従来の製造技術が材料、構造、機能から切り離されていた開発状況は根本的に変化しました。その理由は、3Dプリンターが物理的な実体を出力するとき、無から有への制御された成長方法を採用しているためです。3Dプリンターが使用する建設資材は、統合の原理に基づいて低次元の点、線、または面から蓄積され、最終的な3次元実体を形成します。継続的な蓄積のプロセスにおいて、3Dプリンターは、建設資材の物理的特性、構造、機能をミクロからマクロまで積極的に制御するための十分な時間と空間のウィンドウを持っています。つまり、建設資材に形状情報を運ぶと同時に、建設資材に物理的および機能的特性も適用します。つまり、印刷プロセスの最後に出力される 3 次元エンティティには、マクロ的な形状情報とミクロ的な材料特性情報の両方が含まれており、最終製品の機能が同時に完成します。

積層造形のこの技術的特徴こそが、世界中から広く注目を集め、従来の製造業に一連の大きな変化をもたらす可能性が高い理由です。

まず、デザインコンセプトの変更 従来の製造設計手法を積層造形アプリケーションの実践に移行すると、多くの面で矛盾が生じます。積層造形のための設計手法をDfAM（Design for Additive Manufacturing）と呼んでいます。これには、製品の機能要件に基づくフォワード設計、製品性能向上に基づく積層造形再設計、積層プロセス制約に基づく製造最適化設計などが含まれます。

フォワードデザインは、付加製造によってもたらされる最も「破壊的な」イノベーションです。これにより、デザイナーは従来の製造方法の制約を放棄し、製品の機能要件から真に始めて、最高の機能、最も経済的な材料、最高の効率を備えた構造形状を設計できるようになり、従来の設計思考の束縛を打破することができます。フォワードデザインがもたらす建築革新により、積層造形の価値が完全に解き放たれ、積層造形はフォワードデザインの従来のボトルネックを打破しました。

デジタルの世界では、R&D と製造は連続的または連続的に続く関係ではありません。むしろ、デジタル R&D とデジタル製造は相互に補強し合い、永続的な関係にあります。両者は常に相互に補完し合い、価値を提供し合うプロセスです。
△フォワード設計プロセスフォワード設計システムでは、建築の革新と最適化を主なタスクとし、その後、ジェネレーティブデザインとマルチスケールシミュレーションを組み合わせて、構造形態の詳細設計とシミュレーションを実行します。ジェネレーティブデザイン手法は従来の設計手法とは異なり、使用されるツールソフトウェアは従来の CAD ソフトウェアではありません。ジェネレーティブデザイン手法は、アルゴリズムと人工知能の長所を活用し、過度な人間の介入を必要としません。必要な設計制約を提供するだけで、残りはすべてアルゴリズムに任せて作成されます。トポロジー最適化アルゴリズムは、現在一般的な設計アルゴリズムの 1 つです。

第二に、生産モードの変革 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、特定の製品の生産モデルを変え、企業や消費者に多大な経済的、社会的利益をもたらす可能性があります。古代から現在に至るまで、人間の生産モデルは、手作業による生産、機械化された生産、インテリジェントな生産という 3 つの段階を経てきました。長い手作業の生産段階では、器用さが核心的な競争力となります。職人ごとに作られる製品は毎回異なりますが、生産性は極めて限られています。機械化された生産段階では、製品は統一された基準に従って生産され、生産設備の効率が中核的な競争力となりますが、個別のカスタマイズが欠けています。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、マスカスタマイゼーション能力が中核的な競争力となり、生産効率と柔軟な適応性のバランスが生産モデルの変革に大きな課題をもたらしました。
△製造発展モデルの変革現在の機械化された大規模生産モデルは、大規模な工場に大きく依存しており、それを実現するには多数の機械と多数の専門的な設計・加工技術者が必要です。付加製造においては、ジェネレーティブデザインなどのインテリジェントな設計手法によってデザイナーの業界ハードルが大幅に下がったため、デザイナーはもはや専門技術者ではなく、消費者自身でもあります。製造業の従事者は工場で働く必要がなくなり、工場の設備を自宅で管理できるようになり、まさに「ダークファクトリー」が実現します。工場は各都市の「配送拠点」に設置できるため、顧客が注文して製造プロセスを完了し、商品を受け取るのは、今日の「JD翌日配達」と同じくらい便利です。つまり、3D プリンティングは生産モデルに根本的な変化をもたらし、従来の製造業をバッチ、大規模、標準化された製造から、カスタマイズ、パーソナライズ、分散化された製造へと変革します。
△3Dプリントがサプライチェーンに与える影響第三に、ビジネスモデルの変革 付加製造技術、デジタル技術、インターネット技術の発展に伴い、付加製造はデジタルツイン、産業インターネット、人工知能などの水平技術と統合され、消費者、生産、販売、物流の各側面が結びつき、すべての人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。プラットフォーム経済のビジネスモデルは、もはや販売に限定されません。初期の設計プロセスから生産、製造、そしてその後の製品メンテナンスまで、デジタルファイルの共有と取引はインターネットの助けを借りて実現されます。クラウドプラットフォームはすべてのビジネス活動を統合します。このビジネスモデルは、グリーン開発にさらに沿った経済モデルです。付加製造により原材料の使用量が減り、天然資源と環境への圧力が軽減され、サプライチェーンが大幅に圧縮され、エネルギー消費が削減されるため、地域経済、環境、消費者に有益です。
△DfAMはビジネスモデルの進化を可能にします。積層造形はビジネスモデルの進化を刺激し、製品が市場の需要に適応しやすくなり、ビジネスリスクが軽減されるだけでなく、イノベーションの境界を無限に広げることもできます。臓器移植のビジネスモデルさえも製造モデルに変わりました。 X線コンピューター断層撮影（CT）や磁気共鳴画像（MRI）のスキャンデータを使用して、患者のニーズを満たすインプラントを設計し、3Dプリントで人工臓器を製造して患者の体内に移植します。3Dプリントは現代医学に革命的な変化をもたらしました。

Ansem Asia Pacificは、長年のプロジェクト経験と蓄積された思考に基づき、「付加的思考とデジタルの未来」に関する一連の記事を開始しました。この記事は、このシリーズ記事の全体部分です。次に、カーボンニュートラル製造、コスト管理、インテリジェント設計、マルチソース技術統合、新エネルギーアプリケーションという 5 つの側面から、積層造形のデジタル未来について説明します。お楽しみに。

参考文献:
1. 3D HUBS: 積層造形トレンドレポート 2021
2. 将来産業研究所：2021年の中国3Dプリント産業の市場規模と発展見通しの分析
3. 将来産業研究機関：2021年の世界3Dプリンティング産業の技術競争の展望
4. デロイト：デジタルトランスフォーメーションレポート
5. LeSalle: 3Dプリントがサプライチェーンに与える影響

-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。

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