製造業に革命を：大型3Dプリンティングのゲームチェンジングな4つの応用

大型3Dプリンティングは、大型部品・コンポーネントの製造においてコスト効率に優れ柔軟なソリューションとして脚光を浴びつつあります。現在市場に出回っている3Dプリンターの大半は小型部品向けに開発されたものですが、タービンブレードや航空機の翼全体といった大型部品を造形できる技術の将来展望はいかに？

本記事では、現在利用可能な大型3Dプリンティング技術と、その威力を示す現場での応用事例を探ります。

大型3Dプリンティングとは

製造技術として3Dプリンティングの地位は着実に高まっています。割れ軸受、自動車部品、医療用インプラント、フットウェアなど用途は多岐にわたりますが、これらに共通するのは造形される部品が比較的小型である点です。

確かに大判3Dプリンティングは依然ニッチな技術ですが、大型部品の製造でメーカーが直面する多くの課題を解決する潜在力を秘めています。

航空機の翼のような大型コンポーネントは重く嵩張り、製造には長いセットアップ時間と大型工具が必要です。これは製造コストの増大とリードタイムの長期化を招きます。

3Dプリンティングなら、大型部品をより速く、よりコスト効率よく製造できます。設計の自由度を活かせば、軽量化や性能向上といったメリットも得られます。さらに、大型部品を分割造形・組立てではなく一体造形できれば、組立工程そのものを削減できる利点もあります。

大型3Dプリンティング技術

大型3Dプリンティングには複数の技術が存在します。以下に商業ベースで利用可能な主要技術を紹介します。

プラスチック向け大判3Dプリンティング

BAAM（大面積積層造形）

現在利用可能な最大級の3Dプリンティング技術の一つがBAAMです。オークリッジ国立研究所（ORNL）とシンシナティ社の共同開発で、2014年のIMTSで自動車一台を丸ごと造形してデビューしました。

ガントリーシステム上のエクストルーダーを用い、最大6×2.4×2 mの造形が可能。ABS、PPS、PC、PLA、PEIなどの熱可塑性樹脂に対応します。

登場以来、潜水艦の船体実物大プロトタイプや自動運転車両の造形など、多様な用途で実績を重ねています。

LSAM（大規模積層造形）

サーモウッド社が開発したLSAMも、産業生産に特化した技術です。2016年に初公開され、造形エンベロープは10×40フィート（約37㎡）、水平・垂直双方向への造形が可能です。

最大の特徴は、積層造形と切削加工を融合したハイブリッド方式。3Dプリンティング用ガントリーと5軸CNCルーターを兼ねるトリミング用ガントリーを備え、造形から仕上げまで同一マシンで完結できるため製造リードタイムを大幅に短縮します。

また、特殊鋼合金製のエクストルーダースクリューにより、造形ヘッド温度を最高450℃まで上昇させ、高温対応コンポジット熱可塑性樹脂での大型部品製造を可能にしています。

サーモウッドのLSAMは、自動車・航空宇宙向けの金型・治具など産業用ツーリングの生産を想定して開発されました。

BigRepの大型3Dプリンター

大判3Dプリンティング界のよく知られた存在、BigRepは2014年設立。「大型3Dプリンティングをより簡単に、より手頃に」を掲げ、同年に初代「BigRep ONE v1」を発売。造形体積1㎥、価格約4万ドルで、単位体積あたりのコストでは今なお最安クラスの一台です。

初代から5年、現在は第3世代となり、小型デスクトップ機と高価な産業機の間のギャップを埋め、中小の設計・製造企業をターゲットにしています。

大型金属3Dプリンティング

EBAM（電子ビーム積層造形）

金属3Dプリンティング分野で最大級のマシンを提供するSciakyは、EBAM技術を採用。例えばEBAM 150システムは3708×1575×1575 mmという圧倒的な造形体積を誇ります。

EBAMは溶接に似たプロセスで、電子ビームでワイヤー状の金属を溶解積層します。チタン、インコネル、ステンレス鋼など幅広い溶接性材料に対応可能です。

Sciakyは自社AMシステムを、大型鍛造・鋳造に代わる「より速く、より安価な選択肢」と位置づけます。独自のクローズドループ制御により、軍用・海軍・航空宇宙用途向けに優れた特性とミクロ構造を持つ金属部品を製造できます。

WAAM（ワイヤーアーク積層造形）

EBAMと同様にワイヤー原料を用いますが、溶熱源はアーク放電。最大10 m長の部品を、チタン、ニッケル、ステンレス、アルミ、青銅合金などで造形可能です。

航空機胴体パネルや圧力容器などの大型金属部品製造に加え、タービンブレードや金型・ダイスの修理・メンテナンスにも最適です。

大判サンド3Dプリンティング

この分野で最も知られるのがボクセルジェット社。2002年から活動し、2011年に発表したVX4000は造形体積4×2×1 mで、史上最大級のサンド3Dプリンターの一つです。

エグゾン社もプロフェッショナルグレードのサンドプリンティングシステムを提供し、最大造形体積は2.2×1.2×0.7 m。

両社ともバインダージェッティング方式を採用。液体バインダーを砂層に選択的に噴射し、砂粒子を接合します。

サンド3Dプリンティングは鋳造業に特に有益で、大型・複雑な砂型・中子を従来より速く、安価に作れます。

大型3Dプリンティングが恩恵をもたらす3業界

大型部品の3D造形がもたらすメリットは多岐にわたります。以下に、生産スピードアップ、納期短縮、材料廃棄削減、従来不可能だった形状創出の観点から、3業界での活用像を示します。

航空宇宙

航空宇宙ではこれまで、中小型部品やツーリングへの適用が主流で、時間短縮とコスト削減に貢献してきました。しかし大判3Dプリンティングは、さらに独自の機会を提供します。長大なリードタイムと材料廃棄の削減です。

鍛造・切削など従来法で大型構造部品を作ると最大1年かかり、減材方式では最大80%の材料が削り屑になります。大型3Dプリンティングなら、そのわずかな時間と材料廃棄で造形可能。さらに、複数部品を一体造形する「部品統合」により、組立工程を大幅に短縮できます。

スポットライト：ロッキード・マーティン、航空宇宙部品を3D造形

航空宇宙で最も採用される大判金属3Dプリンティングの一つがSciakyのEBAMです。高さ6 m、幅1.2 mまでの高性能部品を従来法より遥かに速く造形できる点が評価されています。

世界的航空宇宙・防衛大手のロッキード・マーティンは2014年からEBAMを導入。直径116 cmの巨大チタンドームを衛星燃料タンク用に造形しています。

昨夏に認定取得したこれらのドームは、衛星搭載燃料用の高圧タンク開発プログラムの一環。従来製造のチタンシリンダー（胴部）と2つの3D造形ドーム（端蓋）を溶接してタンクを構成します。

EBAMの「必要な分だけ材料を堆積」する特性により、材料廃棄を80%削減。最高11 kg/時間の堆積速度で、従来2年かかっていたリードタイムを3ヶ月に短縮――87%の削減を達成しました。

ロッキード・マーティンはこうしたタンクを、同社の宇宙技術設計・提供プロセス変革への第一歩と位置づけ、大型3Dプリンティングをその鍵と見ています。

スポットライト：ベル・ヘリコプター、大型ブレード金型に3Dプリンティングを活用

ロッキード・マーティンが金属3Dプリンティングを最終部品に適用したのに対し、ベルではポリマー3Dプリンティングがツーリング生産を変革しています。

航空宇宙における金型製造は長期間・高コストになりがち。ベルはサーモウッドのLSAMでヘリコプターブレード用大型金型の製造に挑みました。

要求されたのは、良好な表面仕上げ、厳しい公差、オートクレーブ処理（高温高圧下で複合材部品を強化する工程）への耐性です。

LSAMが適した理由は二つ。一つは、高性能カーボン強化PESU材料で6 m長の金型を造形でき、高温高圧に耐えられる点。もう一つは、ハイブリッド技術ゆえに造形と仕上げを同一マシンで完結でき、さらなる工程短縮が可能な点です。

これらにより、従来なら数ヶ月かかる金型をわずか数日で製造。さらに、内部支持構造を金型キャビティ裏面に接触させない設計が可能になり、オートクレーブ内で空気が成形部品全面の下を自由に流れ、より均一な硬化を実現しました。

この成果は、大型3Dプリンティングが技術的に複雑な大型航空宇宙部品に新たな設計可能性を開くことを示しています。

建設

建設業界での3Dプリンティング導入はまだ初期段階ですが、有望なポテンシャルを秘めています。

注目トレンドの一つが「3Dプリントプレキャスト型枠」。型枠とはコンクリートを流し込み成形する仮設金型で、橋梁、基礎、壁などに用いられます。

従来は木材で手作りしますが、耐久性に乏しく15〜20回の打設で劣化し、手作業ゆえに形状の自由度も限られます。

大型3Dプリンティングなら、型枠作成プロセスを大幅に簡素化しつつ、大型金型構造物の複雑性と耐久性を両立できます。

スポットライト：3Dプリントプレキャスト金型が超高層ビルのファサードを変える

最近の事例として、ニューヨークの42階建て住商複合ビルの大規模改修プロジェクトがあります。

新ファサードを担当したゲート・プレキャスト社は、木型製作に最大9ヶ月を要する見込みでした。最大2.6×1.7×0.5 mの大型金型が必要で、更なる長期化要因でした。

そこで同社はORNLと提携し、BAAM技術で3Dプリントに挑戦。カーボンファイバー強化ABS（刻みカーボンファイバーを混入し強度を高めた一般的熱可塑性樹脂）で、1金型あたり8〜11時間で造形、追加8時間の切削で所望の表面仕上げを得られました。

結果、木型の15〜20回に対し、最大200回のコンクリート打設に耐える強靭な金型が完成。同社は「BAAMと3Dプリント金型なしでは、プロジェクト要求納期内での型枠作成は不可能だった」と評価します。

このケースでは、より耐久性が高く、より複雑な金型を短期間で製造する価値を3Dプリンティングが提供しました。木型を完全に置き換えるものではありませんが、建築家にとって実用的なプレキャスト金型製造の代替手段となり得ることを証明しています。

鋳造

大判3Dプリンティングは鋳造業界でも注目を集めています。鋳造ビジネスは、特殊形状の金型・中子に溶湯を流し込み金属鋳物を製造するものです。

金属鋳造プロセスにおいて、3Dプリンティングはパターン・中子・金型作成の高コスト・長時間工程をバイパスできます。

従来鋳造を例に取ると、図面から精密な金型・パターンを経て完成鋳物に至るまで数ヶ月かかります。大型や低頻度使用の金型は在庫保管コストも高騰します。熟練パターン/金型職人の不足も常態化しています。

3Dプリンティングはこれら課題へのツールとなり得ます。設計データのみで金型構築が可能になり、手作業の金型製作と複雑な中子組立が不要に。数日で金型・パターンを作れ、オンデマンド生産で物理在庫と倉庫コストを最小化できます。

スポットライト：テインブリッジ、3Dプリント鋳造パターンでプロペラ製造

テインブリッジ社は曳船、豪華ヨット、漁船、フェリー向けカスタムプロペラと推進システムを専門とし、創業40年来、多段階鋳造プロセスで生産してきました。

工程の一つに「パターン（最終形状の模型）作成」があります。パターンを砂箱に入れて金型を作りますが、これは労働集約的で時間がかかり、まず木材や発泡スチロールブロックからパターンを切削する必要があります。

パターン作成時間を短縮すべく、同社は大判FDM 3Dプリンティング、BigRepの「BigRep ONE」を導入。大造形エンベロープを持つプリンターを社内に置くことで、プラスチックパターンを一体造形でき、サイクルタイムと労働投入を大幅削減しました。

従来アプローチでは熟練CNCオペレーターが切削・分割組立・後処理に最大20時間を費やしました。3Dプリンティングならパターン作成を自動化し、労働投入を90%削減できます。

金属鋳造では、パターン・金型製造の代替手段として3Dプリンティングの採用が拡大中。大判FDMに加え、サンド3Dプリンティングも選択肢です。サンドプリンターはパターン工程を省き、直接砂金型を造形します。

サンド3Dプリンティングシステムは最大4000×2000×1000 mmまで対応可能ですが、高価な傾向があります。それでも、3Dプリントパターン・金型が鋳造プロセスをより速く、柔軟に、コスト効率よくする利点を、企業は認識し始めています。

大型3Dプリンティングが拓く大きな機会

大判3Dプリンティングは依然ニッチ技術です。その一因は、多くの企業が積層造形全般のメリット・可能性、ましてや大判領域のそれを認識しておらず、適切なビジネスケースを見出せていない点にあります。

さらに、多くの大判システムが依然高価で、試験導入したくても予算が合わない企業も少なくありません。

幸い、市場の継続的成長により、BigRepのプリンターのようなより手頃な選択肢が登場し始めています。

究極的には、大型部品造形技術が他市場・用途へ拡大する潜在力があります。自動車がその一つ。

自動車メーカーは、現行機では造形困難なスポイラーや車体パネルなど大型部品のプロトタイピングに大判3Dプリンティングを活用できるでしょう。

フォード・モーター社のハロルド・シアーズ氏は、最近のAMFGインタビューでこう語っています。「あらゆる車両は、今日のマシンの造形エンベロープに収まる多数の小型部品で構成されています。しかし、ギリギリ収まらない大型コンポーネントも数多く存在します。メーカーには、より大型の造形エンベロープを持つシステムの検討を期待しています。」

明らかに、リードタイムとコスト削減のメリットによって大判3Dプリンティングへの需要は存在します。今後は技術をさらに前進させ、その需要を満たし、他業界が「文字通りにも比喩的にも」より大きな機会を開けるよう支えていく必要があります。