ここ10年で、3Dプリントとしても知られる付加製造は、部品や製品の設計製造方法に革命をもたらしました。BS EN ISO/ASTM 52900によると、付加製造は、3Dモデルデータから部品を作るために材料を接合するプロセスであり、サブトラクティブ・マニュファクチャリングや成形加工方法論とは対照的に、通常はレイヤーごとに行われます。製造技術として、自動車、航空宇宙、航空、ヘルスケア、石油ガス、エネルギー、発電、ファッション、建設、教育、クリエイティブアートなど、さまざまな産業分野に応用されています。推定によると、付加製造の市場規模は2023年に203億7000万ドルに達し、今後10年間の年平均成長率は20%を超えると予測されています。
なぜ付加製造を採用するのでしょうか？
当面の間、鋳造、鍛造、機械加工、製造などの従来の製造方法は、製造環境の重要な部分であり続けるでしょう。付加製造には従来の製造方法に相補的な利点が数多くあり、エンジニアのツールボックスにおける重要なツールとしてますます重要になってきます。その性質上、付加製造には多くの機会があります。
1）プロトタイピング - ツールが不要で、迅速な製造ケイパビリティにより、AMではエンジニアがプロトタイプ部品を物理的に視覚化し、迅速にテストできます。この設計反復の高速化により、新製品の開発サイクルが大幅に短縮されます。
2）カスタマイズ - AMは、高価な金型を必要とせず、1回限りのカスタム部品の設計と製造が可能になります。注目すべきは、このアプローチにより、患者固有のインプラントをシームレスに作成して装着できるため、ヘルスケア業界が恩恵を受けていることです。
3）スペアパーツ - アフターマーケットやサービス業界では、AMによって、少量生産で複雑なパーツを、必要な場所で短いリードタイムでコスト効率よく生産することができます。部品の陳腐化に対処する場合、AMは重要なエンジニアリング資産のリバースエンジニアリングと部品調達のための効果的なソリューションとして機能し、その寿命を延ばします。修理やメンテナンスでは、オンデマンドで部品を調達できるため、物理的な部品在庫が大幅に削減され、デジタル倉庫ソリューションの採用が可能になります。
4）パフォーマンスの向上 - AMは比類のない設計の自由度を提供するため、エンジニアは優れたパフォーマンスと質量削減を実現する部品や製品を作ることができます。例えば、ガスタービンや航空エンジンの効率向上、非常にコンパクトで効率的な熱交換器の設計、コンフォーマル冷却射出成形金型の最適化などです。AM射出成形金型は、より良い製品、スクラップの削減、射出サイクルタイムの短縮につながります。
5）耐久性の向上：特定の作業環境に適した部品を設計することで、AMは耐久性の向上に貢献します。部品は、応力、疲労、摩耗によりよく耐えることができます。部品の一体化により、継ぎ目や界面がなくなり、寿命が延びます。医療用インプラントには生体適合材料を、航空エンジンには高温材料を使用するなど、材料特性を調整することで耐久性がさらに向上します。
業界に革命を起こす：付加製造の変革力
さまざまな産業セクターで付加製造が実施されていることは、その汎用性と変革の可能性を裏付けています。いくつか注目すべき例を挙げてみましょう。
1）航空宇宙向け独自製品：
- 航空宇宙業界で最も話題になっているAM部品のひとつに、GEのLEAP燃料ノズルがあります。この燃料ノズルは、粉末の層を積み上げて3Dオブジェクトを作成するレーザー粉末床融合技術を用いて製造されます。 この部品は、年間1,000個製造されており、次のような素晴らしい成果を上げています。
i）約25%の軽量化
ii）約20個の部品を1つに統合 - 内部チャネルの複雑な設計とジョイントの排除により、耐久性とパフォーマンスが向上します。その導入は金属AMと航空宇宙製造における転換点となり、より広範な導入への道を開くものと考えられています。
2）エネルギーおよび石油ガスのスペアパーツ：
- スペアパーツをタイムリーに供給することは、エネルギーおよび石油ガス業界にとって極めて重要です。工業用ポンプのOEMであるSulzer Ltd.は、密閉式ポンプのインペラを数週間から数日で迅速に製造するソリューションを開発しましました。彼らのアプローチは、付加製造と従来の製造法の両方の長所を組み合わせたものです。
i）インペラのコアは、棒材から5軸フライス加工を使用して製造されます。
ii）その後、シュラウドとベーンは、レーザ粉体肉盛り（LMD）と機械加工の反復ステップを通じて作成されます。 - この方法を使用すると、密閉型ポンプのインペラを2週間未満で納品できます（従来の製造では15～20週間かかります）。油圧面の機械加工された表面仕上げにより、最大3%の効率向上が実現し、ポンプの動作に関連する排出量が大幅に削減されます。
3）生体適合性医療インプラント：
- Strykerは、AMの幾何学的設計の自由度を活用し、海綿骨を模倣した多孔質構造を作成します。同社の前方腰椎ケージ（Monterey ALインターボディシステム）は、レーザー粉末床融合技術を用いてチタン合金粉末から作られています。骨のような多孔質構造により、骨形成活動（骨の形成）が促進され、インプラントの統合が強化されます。
4）サプライチェーンの柔軟性とイノベーション：
- 新型コロナウイルス感染症のパンデミックの間、さまざまな産業セクターで重大なスペアパーツの供給に関する課題に直面しました。例えば、米国のSulzer Ltd.は、重要なガスタービン用のGEフレーム3ガスタービンの第1段ステーターリングの部品をAMを使用して調達しました。鋳造所の閉鎖により、従来のオプションは利用できなくなりました。これらのリバースエンジニアリングされたAM部品は、ガスタービンの継続的な稼働を保証し、危機の間、重要なインフラの稼働を維持しました。これにより、AMがいかにサプライチェーンのイノベーションと柔軟性を提供できるかが浮き彫りになりました。
課題を克服する：付加製造の未来を実現する主要なイネーブラー
他の多くの業界と同様、AMも本格的な導入にはいくつかの課題があります。付加製造の可能性をフルに発揮するには、その将来的な発展のための主要なイネーブラーに対処する必要があります。
1）経済性 - 付加製造事業を立ち上げるために必要な投資は、特に部品を仕上げるために必要なすべての後処理作業を考慮すると、高額になる可能性があります。AMに使用される材料のコストも相当なものになります。一方、より大型で高速な機械の導入により、AMの全体的な経済性が向上していることは安心できるところです。
2）スキルギャップの改善 - AM業界が成長するためには、熟練した専門家の教育と研修が不可欠です。現在、多くの大学や教育機関がAMに特化したコースを開講していますが、実践的な経験が業界の潜在的な成長力に完全に合致するまでには至っていません。
3）知的財産とデータ - 知的財産（IP）とデータ保護は、業界で依然として盛んに議論されているトピックです。AMプロセスはデジタルであるため、データは盗難や不正使用に対して脆弱です。業界がデジタル倉庫などのソリューションを開発するにつれ、この問題への取り組みも進んでいます。AMはまた、製造中にかなりの数のデジタルファイルを生成するため、意味のあるデータ分析と保存が必要となります。この課題に取り組むために、機械学習や人工知能の活用が進んでいます。
4）スケーラビリティ、信頼性、調和 - 少量生産から大量生産へのAMプロセスの拡張は、プロセスの移植性の問題により、現在のところ困難です。AMマシンの差別化を追求する業界は、プロセスの移植性と標準化の欠如という問題を引き起こしています。異なるOEM（相手先ブランド名製造）間での調和は、AMプロセスの移転性と拡張における労力を削減するために極めて重要です。AMマシンは複雑なシステムですが、その信頼性と可用性は徐々に向上しているものの、従来のプロセスにはまだ遅れをとっています。
5）規制の枠組み - 航空宇宙産業など、AM技術をいち早く採用した企業は、AM部品や製品に関する規格や認証のフレームワークを開発し、大きく前進しました。国際標準化団体は、ギャップを埋めるために積極的に取り組んでいます。現在、AM部品の製造と認証のさまざまな側面をカバーするいくつかの規格が、AMのユーザーに提供されています。BSIのAMT/8委員会は、ASTMやISOと共同でいくつかの規格の開発を推進してきました。発表された主な規格は以下のとおりです。
- BS EN ISO/ASTM 52900 - AMの用語 - 一般原則 - 用語
- BS EN ISO/ASTM 52901 - 付加製造のための標準ガイド - 一般原則 - 購入対象AM部品の要求事項
- BS EN ISO/ASTM 52904 - 付加製造 - プロセス特性およびパフォーマンス：クリティカルなアプリケーションに対応する金属粉末床溶融プロセスの実践
- BS EN ISO/ASTM 52925 - ポリマーの付加製造 - 供給材料 - レーザーベースの粉末床溶融部品のための材料の認定
- BS EN ASTM ISO/ASTM 52911シリーズ - 付加製造 - 設計 - 金属、ポリマー材料のレーザーベースの粉末床融合
要約すると、付加製造は製造業界に革命をもたらし、革新、カスタマイズ、サステナビリティについて前例のない機会を提供する準備が整っています。しかし、その潜在能力を最大限に引き出すには、業界セクター全体でイノベーションとコラボレーションの文化を育みながら、技術的、経済的、規制上の課題を克服するための協調的な取り組みが必要です。
