国内製造企業は積層造形設計をどのように統合しているのでしょうか?

著者: リン・チュアンチュン

3D プリント技術は、航空宇宙部品、整形外科用インプラント、金型インサート、熱交換器などの製造において目覚ましい進歩を遂げています。 3D プリント技術に詳しくない人でも、3D プリント技術で製造された製品は従来の技術で製造された製品とはデザインが大きく異なることが簡単にわかります。これは、設計プロトタイプではなく最終製品である 3D プリント部品が、積層造形設計思考を使用して設計されることが多く、複雑な構造の製造における積層造形技術の利点を最大限に活用し、設計に関する従来の技術の制約を打ち破り、機能最適化設計を実現しているためです。

では、国内の製造業、特に中小企業が3Dプリント技術に直面するとき、積層造形のための設計をどのように取り入れることができるでしょうか？設計者は積層造形に基づいた製品設計手法、つまり積層造形のための設計（DfAM）のデザイン思考手法をどのように習得できるでしょうか？本稿では、これら 2 つの問題を詳細に分析し、製造業や設計者の参考になれば幸いです。

業務運営の変革には多くのリンクの調整が伴い、短期間で達成するのは困難です。設計者が最も「純粋な」DfAM 設計手法を直接習得するには長い時間がかかり、それを自社が位置付けている製品に迅速かつ柔軟に適用することは困難です。企業が従来の技術に代わって新しい技術を使用するように変革するには、企業の正常な運営に影響を与えることなく、段階的に企業の付加製造設計への変革を実現するための一連の「移行段階」が必要です。

ほとんどの製品設計・製造会社にとって、企業コストの削減、大量生産、企業利益の増加につながらない技術は絶対に使われません。

積層造形設計（DfAM）は設計手法です。一般的な定義は、積層造形技術の能力に基づいて、形状、サイズ、層構造、材料構成を体系的に統合設計することにより、製品のパフォーマンスを最大化する方法ということです。

企業はどのように考え方を変えて、付加製造技術を取り入れることができるでしょうか?

私たちが直面しなければならない現実は、多くの国内企業がコスト削減と効率化を望んでいるということです。新しい技術は、企業の「コスト削減と効率化」のニーズを満たす場合にのみ注目され、企業に導入されます。現在、国は「ロボット代替」戦略を積極的に推進しています。ロボット自動化技術は、企業が人件費を削減し、生産能力を高めることを真に可能にします。事業者は、ロボットを追加するごとに人件費が削減され、徐々に置き換えられ、企業内での「無人」生産・製造が実現され、限界費用が最小限に抑えられることがわかります。この技術がもたらすメリットは非常に明白であるため、多くの企業がこの点に関して努力し、業務に影響を与えることなく、企業が計画した自動化開発段階に応じて徐々に変革を実現しています。

企業における積層造形技術の開発段階に関して、著者は 4 つの段階をまとめ、それぞれを紹介します。

初期段階 - 付加製造技術を「アシスタント」として機能させる
はじめに - 積層造形技術を「特殊部隊」として活用する
成長段階 - 付加製造を企業の「先駆者」にする
完了段階 - 変革を完了し、企業発展の「新しいポジショニング」を実現する

導入段階では、著者は、企業設計者の DfAM 思考を育成するための新しい理論と方法、つまり構造と機能の統合設計法について詳細に説明しました。

初期段階 - 3Dプリント技術を「アシスタント」として機能させる
企業にとって、現在の 3D プリント技術の能力は、製品製造における単なるリンクに過ぎず、短期間で元の生産ラインを完全に置き換えることは実現できません。変革を開始するには、まず 3D プリント技術が製品の設計と製造サイクルの「アシスタント」として機能し、大量生産前の製品プロトタイプの設計段階で企業がコストを削減し、効率を高めるのを支援する必要があります。

製品設計要件を決定した後、設計者は、企業が提供できる製造能力と投資資金も考慮しながら、製品の機能要件に基づいてできるだけ早く製品設計を完了し、できるだけ早く生産を開始する必要があります。これが、事業者の「根底にある考え方」だと私は理解しています。

この段階では、3D プリンティングは、ラピッドプロトタイピング検証特性により、製品プロトタイプの製造サイクルを短縮し、迅速な製品反復を実現できます。プロトタイプの段階には数か月かかり、数十万ドルの費用がかかっただろう。この技術を使用すると、時間を 1 ～ 2 週間に短縮でき、コストは元の 10 分の 1 以下になるため、コストが削減され、効率が向上します。現在の 3D プリントプロトタイプ業界は、基本的に 3D プリントラピッドプロトタイピング検証の実際の市場応用です。プロトタイプ検証が少ない企業は、印刷サービスを探すことを選択できます。プロトタイプ検証が多い企業は、迅速なプロトタイプ検証を実現するために独自のプリンターを購入することを選択できます。

はじめに - 3D プリント技術を「特殊部隊」として活用する
「金型は産業の母」と言われ、多くの製造業が金型設備を利用して製品の高効率、大量生産、低コスト化を実現しています。もう一つのタイプは、伝統的な機械産業における一部の製品であり、製品の加工と生産を実現するために減算型製造技術を使用する必要があります。企業は、「旋削、フライス加工、平削り、研削」などのさまざまな加工方法を通じて、製品の製造ニーズを満たすために設備またはサービスを購入する必要があります。さまざまな専門設備が多数あると、調達コストがかかるだけでなく、専門設備オペレーターに多額の人件費と時間コストがかかります。完全な製品生産金型を開発するコストも非常に高くなります。これらを総称して生産コストと呼びます。製品の生産コストを分散させるためには、大量に生産するか、製品の価格を上げるかのどちらかしかない、これが量産段階を考える際の事業者の「根底にある考え方」だと私は理解しています。このアプローチの結果、製品がよりパーソナライズされ、市場の需要が少ないほど、価格が高くなります。

『ビジネス戦争』という本は、ビジネスの世界がいかに戦場のようなものかを語っています。企業を常に戦っている軍隊に例えると、既存の「軍隊」の組織と運営によって、企業は現状に対処することができます。突然の変更はお勧めできませんが、既存の組織の下に「特別チーム」を構築することは適切な開発オプションです。

大企業の場合、企業内には一定規模の設計部門があります。企業内で実行可能な具体的な戦略は、設計部門から数名を選抜し、積層造形製品の研究チームを編成することです。自社の製品の位置付けと特徴に応じて、積層造形に適し、市場需要のある新しいパーソナライズ製品を開発し、新製品の価格を合理的にコントロールする必要があります。これにより、人材や物的資源をあまり費やさずに、企業に新製品の競争上の優位性がもたらされます。

製品の設計と製造のプロセスにおいて、設計者は積層造形に関連する設計経験を多く蓄積します。機器との頻繁な接触は、設計者が積層造形の関連プロセス設計をより深く理解し、積層造形設計の考え方を養い、設計をより積層造形に適したものにするのに役立ちます。 3Dプリント製造に適した方法を使用して小ロット設計と製造を実現した後は、注文要件に応じて元の設計データを取得し、パーソナライズされたカスタマイズ製品を製造して市場に投入するだけです。

中小企業の場合、設計部門は時間が限られており、別途「特別チーム」を設置することはできません。

新製品を開発する。この問題を解決するには、比較的簡単な解決策があります。それは、オリジナル設計 + 3D プリント支援設計です。元の製品の機能的・構造的設計を大きく変更することなく、積層造形設計能力を持つ企業と連携してプロジェクトを進めます。3Dプリント技術を使用して製造される製品については、3Dプリントのプロセス要件を満たすように部分的な変更と調整のみを行います。そして、3D プリント技術を使用して大量生産を実現し、製品開発サイクルを短縮することができます。企業が現在の 3D プリント技術の高価な設備コストを負担したくない場合は、3D プリントサービスを選択することもできます。コストコントロールを実現し、製品の製造プロセスを完成すると同時に、中小企業が「特別チーム」の競争優位性を獲得できるようにします。

企業の種類に関係なく、最も徹底した解決策は、会社のデザイナーに積層造形設計の考え方をトレーニングし、3D プリント装置を設計に使用できる能力を身につけさせることです。これは内部から変化をもたらす最良の方法の一つです。

多くの企業では、デザイナーはほとんどの時間を自社製品の「設計」に費やしています。彼らは自社製品のデザインの詳細を非常に詳細に把握しています。製品によって新たな問題が発生した場合でも、新しい設計方法を迅速に見つけて製品の反復を実現できます。この観点から見ると、デザイナーの「独自のデザイン思考」が非常に強いと言えます。また、長年にわたり人が実践してきた考え方や方法を完全に変えることも非常に困難です。引き算は難しいので、足し算で考えてみましょう。本来のプロダクトデザイン思考をベースに、付加製造のデザイン思考を加えます。では、デザイナーが「本来のプロダクトデザイン思考」に重ね合わせた思考を徐々に実現するにはどうすればいいのでしょうか。著者は次のような提案をしています。

積層造形技術に関する研修を実施します<br /> 積層造形に関連する専門家や機器サプライヤーと協力し、当社の積層造形技術に適した機器の使用に関するプロセス説明を当社の設計者に提供します。設計者に、そのようなデバイスの存在とその基本的な技術的特性を認識させ、理解させます。デザイナーに「この設備は、設計時に使用できる新しい製造方法です。設計した製品の製造を検討する際に、以前の設備を使用するのではなく、この新しい技術を使用して製品の設計を実現することを選択できます。」と認識させます。

デザイナーが若ければ若いほど、新しいものを受け入れる能力が強くなります。企業は若手デザイナーを何人か選抜し、この技術に慣れさせて試用してもらうことで、この製造技術を使って製品の設計・製造を実現することを直接検討することができます。そして、このテクノロジーに基づいて、製品設計のアイデアを少しずつ最適化し、反復することができます。この段階では、デザイナーがデザインにおいて革新的な試みをしたり、試行錯誤したりできるようにする必要があります。設計が製品要件を満たし、3D プリントを使用して製造できる限り、最適な設計を検討する必要はなく、生産を手配して市場に投入することができます。製品設計を繰り返し、設計の反復を繰り返して成熟させることで、独自の製品設計思考 + 付加製造設計思考を持つデザイナーが、企業にとって新たな競争上の優位性となります。

現在の DfAM 思考トレーニングは、基本的にシミュレーション設計リンクを避けることができないことに注意する必要があります。ただし、多くの中小企業にとって、シミュレーションソフトウェアを購入するために多額の費用を費やし、シミュレーション機能を備えた設計者をトレーニングするために長い時間を費やすことは、会社にとって最善の選択ではありません。これは、このテクノロジの推進にも大きなハードルを設定します。次の 2 つのポイントは、企業の設計者が多額の費用をかけずに DfAM 思考能力を迅速に獲得するのに役立ちます。

1. 基本的なシミュレーションを実行するには、シミュレーション機能を備えたソフトウェアを選択します。
注目すべき点の 1 つは、多くの製品にとって、より重要なのは製造能力であるということです。シミュレーションは、製品の最適化を支援する手段の 1 つにすぎません。高度な構造最適化を必要とせず、機能の実現に重点を置いた一部の製品設計では、シミュレーションに費やされる時間と労力が製品開発サイクルの大部分を占めるのは望ましくありません。 Solidworks のような使いやすいモデリングソフトウェアには、シミュレーション機能も備わっています。インターネットでオンラインコースを見つけることもできます。費用と時間はほんの少しです。荷重の追加と力の解析の基本を学んだら、自分で変更した設計の構造力が妥当かどうかを検証できます。

また、Altair の Inspire シミュレーションソフトウェアは、複雑な操作プロセスを排除し、一般的な設計者でも使用できることも特筆に値します。ソフトウェアをインストールした後、チュートリアルに従って、構造物（橋梁支持構造物）の最初のシミュレーションと最適化を 3 時間以内に完了することができました。重要な手順を完了したら、コンピューターが自動的に計算して構造のシミュレーション最適化結果を取得し、設計の調整に役立つまで待ちます。付加製造なので、設計者は加工上の問題についてあまり心配する必要がありません。

Inspireソフトウェアを3時間使用し始めてからの最初のシミュレーション設計

2. 分野を超えた学習経験を活用して興味を深めます。
3D プリント製造により、設計者は設計の柔軟性を大幅に高めることができ、設計者はさまざまな分野を完全に学習できます。当社は自社製品と類似するさまざまな業界の構造設計を大量に吸収し、他社の優れた設計最適化構造ポイントを自社製品設計に適用しています。例えば、フランジ面の設計や局部構造の軽量化設計では、自動車や航空宇宙分野の典型的な軽量化構造設計方法を参考にして、大胆に自社の製品設計に適用することができます。確信が持てない場合は、基本的なシミュレーション機能を備えたソフトウェアを使用して、単一機能（すべてではない）の力シミュレーションを実行し、自分の推測を検証します。単一機能のシミュレーションには、多くの計算リソースと時間は必要ありません。軽量機能構造の新しい事例を継続的に蓄積することで、設計者は製品を自然に軽量化し、積層造形に適したものにすることができます。デザイナーが、この自由な組み合わせと制約のない設計手法によってもたらされる喜びを真に感じれば、自らの製品の最適化手法について、より積極的に深い研究を行う意欲が湧いてくるでしょう。段階的に、積層造形のためのデザイン思考、つまりDfAMデザイン思考への変革を実現します。

フランジ面の代表的な「花びら」軽量化設計構造

ここで、上で説明した方法を簡単にまとめます。

1. シミュレーション機能を備えたソフトウェアを学習し、基本的なシミュレーション機能を習得します。製品自体に高度な最適化が必要ない場合は、積層造形の新しいプロセス要件を優先して、製品開発サイクルと生産品質を確保し、段階的に反復します。

2. 業界を超えて他社の部分的な単機能設計構造を学び、自社の製品パラメータに基づいてシミュレーション検証を実施する。

3. モデリングを通じて、蓄積されたローカル単機能設計を既存の製品設計に統合する。

4. 自社製品を継続的に蓄積・反復し、設計機能・構造設計を蓄積し、徐々に DfAM 設計思考への変革を実現します。

私自身もこの方法を使っています。ある程度蓄積されると、新製品のほんの一部だけが新しい機能構造となり、設計と検証に時間がかかります。これにより、新製品の設計サイクルを大幅に短縮できます。私はこの方法を構造機能融合設計法と呼んでいます。同社の設計者が長期間にわたりこのようなトレーニングを受ければ、設計思考はますます柔軟になり、製品の付加製造最適化はますます高度化し、最終的には製品が真の完全な付加製造最適化を達成できるようになります。

成長段階 - 3D プリントを企業の「先駆者」にする
企業の規模や設計者の能力が異なるため、参入段階における各企業の開発時間は一定ではありません。しかし、参入段階を踏まえると、同社の設計者は積層造形技術を自社製品に適応させる経験を積んでおり、新製品開発のスピードは大幅に向上している。現時点では、従来の「特別チーム」を「先鋒部隊」にアップグレードし、同社の人的・物的資源への投資と積層造形市場への推進を増やすことも検討できる。

1. この段階では、付加製造製品を積極的に推進し、元の伝統的な製品と新しい付加製造製品を共同で市場に投入する必要があります。元の製品の名刺に基づいて、付加製造製品は会社の新しい名刺になります。

2. 企業の総生産量における付加製造製品の割合を合理的に促進する。従来の製造方法と付加製造設計法によって製造された製品の市場化の過程では、市場のフィードバックに基づいて付加製造製品の割合を適応的に増やし、生産能力のアップグレードが急速すぎて元の生産能力が不足したり過剰になったりすることを避ける必要があります。

3. 当初は従来製品の使用を選択した顧客が、新しい積層造形製品を試用して、積層造形製品の付加価値を認識します。

同様に、企業の製品タイプとユーザー規模もこのプロセスの開発時間に影響します。企業は上記の方法で着実に進め、徐々に積層造形製品の設計と生産モデルを従来の組立ラインの多プロセス製品設計モデルに統合し、徐々に企業の変革を実現することができます。

完了段階 - 変革を完了し、企業発展の「新しいポジショニング」を実現する
企業が能力転換を完了するということは、基本的に、企業の設計者が積層造形に対する完全な設計思考と設計経験を持ち、企業の生産プロセスも、非常に重要なサプライチェーン管理を含む積層造形の管理プロセスに適合し、転換を達成したことを意味します。

積層造形技術を習得した後、同社の既存製品タイプの設計方法とルールは大幅に標準化され、合理化されました。設計部門も積層造形設計と製造に適した多くの設計経験を蓄積し、積層造形のための設計思考を持っています。積層造形の柔軟性により、これらの経験と設計能力は、同社の現在の製品に関連するより多くの分野、または同じ製造技術を持つ業界横断的な分野に拡大することができ、同社にとって新たな製品開発の道を切り開くことができます。

彼は長年 3D プリント業界で働いており、3D プリント技術において DfAM デザイン思考を実践しています。当社は、3D プリント技術の活用を推進し、より多くの人々に 3D プリントがもたらす価値を感じていただきたいと考えています。