2020年における生産向けアディティブ・マニュファクチャリングのトップ10課題と克服策——専門家の知見

2020年更新版

設計自由度、材料効率、少量生産への適性により、アディティブ・マニュファクチャリング（AM）は多くの企業にとって魅力的な選択肢です。しかし、生産環境でAMを最大限に活用するには、いくつかの障壁を克服する必要があります。

技術的課題

1. 造形速度の遅さ

速度は特に自動車や消費財のような大量生産業界で重要な要素です。従来の3Dプリンターはスループットで従来製造に後れをとることが多々あります。

「最終的な課題はスループット、つまりマシンの速度です。自動車の生産量は航空宇宙や医療とは桁違いに異なります。そのため、数日や数時間ではなく、分や秒で部品を製造できるシステムが必要です。テクノロジーをより高速な造形速度へ押し進めるあらゆる取り組みが、確実に我々を助けるでしょう。」

ハロルド・シアーズ氏、フォード・モーター アディティブ・マニュファクチャリング・テクノロジーズ技術リーダー

メーカーは高速ソリューションに多額投資しています。例えばEOSはLaser Pro Fusionを開発中で、単一SLSシステムで最大100万個のダイオード・レーザーを使用し、造形時間を劇的に短縮する可能性があります。メタル・プリントではAurora LabsのMultilevel Concurrent Printing（MCP™）が複数層の同時堆積を実現——1パスで30層、来年は100層を目標。同社のPMP1プリンターは350kg/日を達成し、前年比2000%の速度向上です。

これらの技術はまだ開発段階ですが、軌道を見ればAMが近い将来、生産速度要求を満たせることが示唆されます。

2. 材料開発とばらつき

「アディティブ・マニュファクチャリング業界には、より多くの材料ソリューションが確実に必要です。3Dプリンティングは理論上、機械的、生物学的、電気的にかかわらず、高複雑性・高機能性部品を製造可能です。しかし、それを実現するには十分な材料オプションがあるかどうかにかかっています。」

サイモン・フリード氏、Nano Dimension 共同創業者

AMはポリマーとコンポジット材料で大きな進歩を遂げました。Arkema、BASF、DuPontなど大手化学企業がメタルに匹敵する強度のカーボン強化ポリマーを開発。MarkforgedはAM初の難燃性コンポジット「Onyx FR」を発表。メタル原料も進展していますが、サイクルはより長期です。成長にもかかわらず、業界には包括的な材料データベースがまだなく、特性のばらつきと再現性の困難さを招いています。

ISOやASTMなど標準化団体がメタル粉末（ニッケル、チタン、ステンレス鋼）の仕様を策定中。America Makes、Stratasys、NIARの協力でFDM用ULTEM 9085データベースも作成されました。これらの取り組みが、企業の材料調達と適格性評価を確実にするでしょう。

3. 手作業の後処理

試作なら手作業仕上げも許容されますが、生産には自動化が必須です。メタルAM部品には粉末除去、応力除去熱処理、サポート除去、CNC機械加工、場合によっては熱間等方圧圧縮（HIP）による気孔除去が必要です。

「メタルAMでは品質確保に多くのステップが関わります。粉末の適切な除去、残留熱応力による歪み・変形を防ぐ応力除去加熱サイクルの実施。サポート構造の切削・研削にも多くの時間を要します。その他、CNC機械加工やその他仕上げ、気孔を確実に除去する熱間等方圧圧縮なども含まれます。」

テリー・ウォーラーズ氏、Wohlers Associates 代表取締役社長

自動後処理ソリューションが登場しています——DyeMansionの洗浄リグ、AMTの表面平滑化システム、PostProcess Technologiesのサポート除去ユニット。メタル分野ではDigital Metalの完全自動生産ラインが、ロボティクスでビルド・ボックス処理、後処理、部品ハンドリングを行い、手作業を排除することを実証しています。

進展は段階的ですが、自動化ワークフローの拡大は大量AM生産に不可欠です。

ソフトウェア課題

4. 限定的なデータ準備能力

「設計とデータ準備は依然としてこの業界のボトルネックです。重点が高生産性ハードウェア・システムに置かれ、インテリジェントなソフトウェア・ソリューションが方程式から除外されているからです。」

イヴ・ハゲドルン氏、Aconity3D マネージング・ディレクター

従来のCADツールはAM固有の要件——勾配材料、ラティス構造、多孔質モデリング——に対応していません。設計者はSTLにエクスポートし、Netfabbにインポートしてからマシンへ送るため、データ・サイロとエラーが生じます。

「多くの顧客から、非常に分断されたワークフローで作業していると聞きます。CADツールで設計プロセスを行い、それをSTLファイルに変換してビルド・プロセッサ（Netfabbなど）にインポート。そこからマシンへ送られ、マシンがデータを収集します。その結果、うまく連携していないデータ・サイロができあがります。」

ロバート・ヤンシー氏、Autodesk 製造・生産業界戦略担当ディレクター

主要CADベンダーがAM機能を統合しつつあります——PTCのCreo 6.0は設計とプリント準備を単一環境でサポートし、ジェネレーティブ・デザイン企業Frustumを買収。StratasysのGrabCADと3D Systemsの3DXpertもデータ変換を効率化。目標は、煩雑なファイル交換なしで設計者がCADシステム内でイテレーションできるようにすることです。

品質保証課題

5. 部品間ばらつき

「業界がより広く受け入れられるために対処すべきもう一つの大きな課題は部品間ばらつきです……その理由は、システムから出てくる材料の一貫性が必ずしも望ましいものではないからです。最弱部品を前提に設計せざるを得ず、AMの能力を十分に活かせていません。」

ザカリー・マーフリー氏、VELO3D テクノロジー・パートナーシップ担当VP

ばらつきは材料化学——粒子サイズ、形状、汚染——とプロセス制御に起因します。埋め込みセンサーとカメラを備えたクローズド・ループ制御システムがリアルタイムで偏差を検知し、パラメータを調整。粉末混入、マイクロクラック、未溶融などの欠陥を削減します。

「インプロセス制御があれば、プロセス内の欠陥にほぼ即座に対応できるため、これがAMの『聖杯』だと思います。」

イヴ・ハゲドルン氏、Aconity3D マネージング・ディレクター

現在、クローズド・ループ制御搭載プリンターはごく少数ですが、AMが生産環境へ移行するにつれトレンドは拡大しています。

6. 業界標準の不在

「すべてのステークホルダーにとって、業界により良い標準、普遍的に理解され受け入れられる標準があれば信じられないほど有益です。標準があれば、リンゴとリンゴを比較し、サプライヤー、メーカー、ユーザーの包括的なエコシステムの中で実装可能な知的な意思決定ができます。」

アビ・ライヒェンタール氏、XponentialWorks 創業者

標準は材料、プロセス、製品品質の確保に不可欠です。ISOとASTMは2018年時点で28のAM標準を発行済みで、さらに多くが予定されています。Oerlikon-Boeingのチタン部品提携やASTMのアディティブ・マニュファクチャリング卓越センターなど、設計、原料、プロセス、後処理、試験、認定における標準化を加速する協力的取り組みが進行中です。

人材課題

7. 理解と専門知識の不足

「労働力の要素は今、本当にクリティカルです。技術を十分に理解し、戦略を立案して必要な成果を引き出せるエンジニア、マネージャー、経営幹部が不足しています。」

ジョン・バーンズ氏、The Barnes Group Advisors 代表

知識ギャップの解消は極めて重要です。多くの企業がトレーニング・プログラム、オンライン講座、卓越性センターを提供し、エンジニアをスキルアップさせています。コンサルティング企業と業界カンファレンスもベスト・プラクティスを普及させています。鍵は、適切な技術を適切なアプリケーションにマッチングさせ、従来設計をAMプロセスに無理やり当てはめる落とし穴を避けることです。

財務課題

8. 初期投資の実行

AM導入にはプリンター購入以上のものが必要です：ソフトウェア、材料、トレーニング、後処理設備、認証、施設アップグレード。初期コストは手強いものがあります。

「装置コストを下げて、より広い市場に技術を開放する必要があります。」

アルミン・ヴィーデネッガー氏、voestalpine High Performance Metals GmbH 戦略・ビジネス開発担当

経済的なエントリー・レベル・システムが登場しています。Markforgedのコンポジット・プリンターは約15,000ドルで、Dunlop Systemsでは6ヶ月で投資回収、年間4万ポンドの節約を実現。Desktop Metal、Markforged、Xact Metalのメタル・プリンターは最大15万ドル——大型システムの一部に過ぎません。コスト削減、リードタイム短縮、軽量化といった「クイック・ウィン」を中心にビジネス・ケースを構築すれば、投資を呼び込みROIを実証できます。

ワークフローと統合課題

9. 断片化したAMエコシステム

「AMエコシステム全体が断片化しています：エンド・ツー・エンドのワークフローとソリューションを作るために、たくさんの小さなソリューションと企業を寄せ集めなければなりません。」

デイブ・コノバー氏、Ansys アディティブ・マニュファクチャリング担当チーフ・テクノロジスト

設計、造形、後処理、サプライチェーンの統合はスケーラビリティに不可欠です。RIZEとDassault SystèmesのSOLIDWORKS統合、Henkelのフル・バリュー・チェーン提供（カスタム材料、Loctiteプリンター、プリント・サービス）などのパートナーシップがワークフローをシンプルにします。エコシステム連携による統合が採用を加速します。

10. デジタル・インフラの欠如

効率的なAM生産には、そのユニークなワークフローに特化したデジタル・バックボーンが必要です。従来の製造ITソリューションでは不十分です。専用AMワークフロー管理ソフトウェアが、受注、プリント可否判定、マシン分析、スケジューリング、後処理、サプライヤー・コミュニケーションを追跡します。

一元化されたシステムがトレーサビリティ、生産計画、データ同期を提供し、デジタル製造環境へのシームレスな統合を可能にします。

進化する業界

過去10年間で、AMは試作ツールから実用的な生産技術へと進化しました。速度、材料科学、自動化、標準化、人材開発のイノベーションがこのシフトを推進しています。企業が協力し、標準化し、戦略的に投資することで、アディティブ・マニュファクチャリングはさらなる成熟と分野横断的な拡大を遂げるでしょう。

産業用3Dプリンティングの未来に関する前回の専門家ラウンドアップもご参照ください。