3D印刷ソフトウェア：真のデジタル制作の実現

業界が成熟し続けるにつれて、3D印刷ソフトウェアの機能は成長しています。

歴史的に、3D印刷ソフトウェアのセグメントは、ハードウェアや材料のセグメントに遅れをとる傾向がありました。ただし、近年のエキサイティングな開発により、このセグメントは急速に追いついており、企業は複雑な設計をより迅速に作成し、印刷の成功率を高め、部品の品質を確保し、ワークフローをより効率的に管理できるようになっています。

ソフトウェアが3D印刷で実行可能な生産の鍵であるため、これを可能にする開発について見ていきます。

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設計およびCADソフトウェア：AM固有のツールの作成

最近まで、コンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアは、3D印刷の設計要件に合わせて最適化されていませんでした。

アディティブマニュファクチャリング（AM）は、設計がより複雑になるという利点を提供します。ただし、これらの利点には、AMの設計（DfAM）と呼ばれることが多い別の設計アプローチの必要性が伴います。

AMの設計は、従来の設計方法にはない独自の課題と機会を提供します。これは、材料の削減と複雑な設計機能の調査を目的とした、新しい設計手法の作成を伴います。

したがって、エンジニアがAMの設計の柔軟性を最大限に活用できるようにするには、関連するツールが必要です。

ゆっくりと、しかし確実に、これらのツールが市場に登場し始めました。最大の推進力は、CADソリューションの範囲内でAM設計機能を開発しているAutodesk、Altair、Dassault Systems、PTCなどの大手ソフトウェア会社からのものです。

たとえば、オートデスクは、AMテクノロジへの主要な投資の一環として、Netfabbスイートを介して3D印刷の設計準備を支援しています。

Netfabbを使用すると、エンジニアはさまざまなCAD形式からモデルをインポート、分析、修復し、サポートが必要な領域を特定できます。 Netfabbを使用して、サポート構造を半自動で生成し、モデルを変更して、本番環境に最適化することもできます。

DfAMは、PTCのCreoCADプラットフォームの次のフロンティアとしても認識されています。新しいリリースでは、Creo 6.0は、確率的フォーム、コンフォーマルラティスワーク、フォーミュラドリブンラティス、カスタムラティスなどの軽量化機能を作成するために必要な特殊な幾何学的モデリングの組み込みサポートを提供します。

さらに、同社によれば、3D印刷のビルドの向きとサポート構造は、Creo 6.0で分析および最適化できるため、ビルドの作成と印刷後の処理の両方で時間を節約できます。

高度な設計ソフトウェア

少数の企業も、特に高度なエンジニアリング向けのCADソリューションを開発しています。 1つの例は、ジオメトリがボトルネックであるエンジニアリングの問題を解決するために開発されたnTopPlatformを最近リリースしたnTopologyです。

計算ベースのソリューションであるnTopは、CAD、シミュレーション、およびコンピューター支援製造（CAM）機能を統合して、エンジニアリングチームが複雑で最適化されたジオメトリを作成できるようにします。

たとえば、エンジニアはnTopを使用して、重量を減らし、部品のパフォーマンスを最大化できます。また、複数の荷重条件を適用し、応力、変位、剛性、重量などのさまざまなパフォーマンス基準を最適化することもできます。これは、トポロジ最適化と呼ばれるプロセスです。

また興味深いのは、ソフトウェアがパーツをスライスできるため、エラーが発生しやすいSTLファイルを回避し、製造データを直接マシンにエクスポートできることです。

3D印刷設計ソフトウェアの限界を押し広げているもう1つの会社は、Hexagonです。今年の初めに、AM用のトポロジー最適化ソフトウェアのドイツのプロバイダーであるAMendateを買収しました。 AMendateがHexagonのMSCSoftwareアームに追加され、MSC Apex GenerativeDesignソフトウェアがリリースされました。

新しい設計最適化ソリューションは、組み込みの製造知識と組み合わせて、設計プロセスの自動化を通じて品質を向上させます。

このソフトウェアは、数時間以内にAMの準備ができた部品設計を作成すると言われています。これは、通常必要な時間の何分の1かです。これにより、代替のトポロジ最適化ソリューションと比較して、生産性が最大80％向上します。

「デザイン生成用のソフトウェアソリューションは数多く存在し、現在市場に出回っていますが、それらの機能には制限があります。たとえば、使用には非常に時間がかかります。また、完全な自動化が欠けており、作成できる設計は実際のビジネス上の課題に対して十分に複雑ではありません」と、AMendateの共同創設者で現在MSCのジェネレーティブデザインのディレクターであるThomasReiher氏は述べています。

AMプロセスを念頭に置いて開発された高度な設計ツールは、これらの課題を克服し、より多くの革新的な3D印刷の使用を可能にするための鍵となります。

STLの代替案の紹介

設計されたモデルを3D印刷できるようにするには、エンジニアは通常、元のCADファイルをSTLに変換する必要があります。

STLは、現在3D印刷で最も一般的なファイル形式であり、3次元オブジェクトを一連のリンクされた三角形（ポリゴン）として記述します。その人気にもかかわらず、ファイル形式には多くの制限があり、3D印刷を使用して複雑な生産部品を設計するときにさらに明らかになります。

たとえば、STLは、元のデザインの色、テクスチャ、およびその他のデザイン情報を読み取りません。

さらに、STLファイルに加えられた変更は、CADの元の設計ファイルに自動的に反映されないため、設計プロセスに非効率的な層が追加されます。

最後に、複雑なジオメトリをモデリングしたり、三角形の数を増やして解像度を向上させたりすると、STLファイルのサイズが3Dプリンターで読み取れないほど大きくなるリスクがあります。

これらの課題を克服するために、業界は代替ファイル形式の作成に取り組んでいます。これまでで最も有望なのは、3MFコンソーシアムによって開発された3MFです。

3MFを使用すると、3Dプリンターは、元の設計者が意図した色、テクスチャ、およびその他の設計データを使用して、CAD設計ファイルを忠実に読み取ることができます。また、拡張可能であり、新しい3D印刷テクノロジーに適応できることも意図されています。

シミュレーションソフトウェア：エラーを予測して再現性を向上させる

シミュレーションソフトウェアは、3Dプリントソフトウェア開発の大きな焦点であり続けています。この主な理由は、再現性のある3D印刷結果を達成するために現在使用されている試行錯誤のアプローチを削減、または排除する可能性があることです。

シミュレーションは通常、設計段階で使用され、印刷プロセス中に材料がどのように動作するかをデジタルで再現します。これは、シミュレーション結果が、ビルドの失敗を防ぐために設計を最適化する方法についての洞察を提供できることを意味します。

今日、シミュレーションソリューションの大部分は金属3D印刷を対象としています。これは、テクノロジーには多くの複雑な技術的課題が伴うという事実によるものです。印刷プロセス中のビルドに影響を与える可能性のある変数はたくさんあります。たとえば、レーザーのパスと強度、サポート構造の設計などです。

シミュレーションは、金属3D印刷プロセス中に発生する複雑な現象の分析に役立ち、シミュレーションデータを使用してビルドを計画し、最も成功する部品の方向付けとサポート戦略を選択します。

2019年には、ANSYSやSiemensなどの大企業から、Additive WorksなどのAM専用ソリューションのみを提供する中小ソフトウェア企業まで、多くのAMシミュレーションソリューションがあります。

エンジニアリングソフトウェア会社のANSYSはその一例です。 2019年の初めから、同社は多くの新機能を備えた3つの主要なアップデートをリリースしました。

際立っている更新の1つは、ANSYS AdditivePrepです。このツールは、ANSYS AdditiveSuiteおよびANSYSAdditivePrintソフトウェアパッケージの一部です。

その機能の中には、エンジニアがAMビルドの向きがサポート構造、ビルド時間、歪み、および全体的な印刷パフォーマンスにどのように影響するかを予測するのに役立つヒートマップを作成する機能があります。

最新のR3リリースでは、ANSYS Additive Prepも新しいビルドプロセッサで拡張されました。これにより、ユーザーはビルドファイルをAMマシンに直接エクスポートできるため、STLファイルを使用する必要がなくなります。 2020年の展望に対する熱処理の影響を予測するツールもあります。

最近、AltairはInspirePrint3Dと呼ばれるAMの新しい製造シミュレーションソリューションを発表しました。

特に選択的レーザー溶融（SLM）を目的としたこのソフトウェアは、製造プロセスを設計およびシミュレートするための高速で正確なツールセットを提供すると言われています。

主なソフトウェア機能には、設計部品と同じ環境内でのサポート構造の生成、後処理を減らしてコストのかかるエラーを回避するための高度な熱機械シミュレーション、大きな変形、過度の加熱と層間剥離の識別、ファイルの検証と作成の準備が含まれます3D印刷用。

ポリマー3D印刷の分野では、2013年にMSC Software Corporationに買収されたe-Xstreamは、ポリマーおよび複合AM技術に焦点を当てた数少ない企業の1つです。

同社は、FDMおよびSLSプロセスのシミュレーション用のDigimat-AMソフトウェアソリューションを開発しました。このプログラムは、反りなどの印刷の問題を予測し、歪みを補正するのに役立ちます。さらに、Digimat 2019.0の最新リリースでは、DSM、Solvay Specialty Polymers、StratasysInc。の材料システムの繊維強化材料モデルのシミュレーションも提供されています。

長期的な目標として、e-Xstreamは、マルチマテリアル印刷に対応するために、マテリアルモデリングの専門知識に依存します。

初めてパーツを正しく3D印刷できることは、このテクノロジーの採用を促進する重要な要素の1つです。将来的には、シミュレーションソフトウェアが新しいインプロセスモニタリング機能とペアになる可能性があります。これにより、エンジニアはリアルタイムのビルドデータを使用して予想されるシミュレーション結果を確認でき、最終的にはより高い印刷成功率を達成できます。

アディティブマニュファクチャリング実行システム：ワークフロー管理とトレーサビリティの実現

過去数年間で、3D印刷は、小ロットのプロトタイピングと製造に使用されるプロセスから、大規模なバッチ生産に移行し始めました。この変化により、企業が増加する生産量を管理し、AM運用をより効率的に拡張するのに役立つソフトウェアの必要性が明らかになりました。

これにより、AM業界のニーズに合わせて特別に開発された製造実行システム（MES）ソフトウェアが登場しました。

MESソフトウェアは、要求管理、生産スケジューリング、後処理計画など、AMワークフローの点を結び付けるのに役立ちます。 MESの包括的な目標は、AM生産を成功させるために必要な制御を提供し、マシンの使用率を最大化し、自動化を強化し、トレーサビリティを向上させることです。

MESソフトウェアセグメントの成長を推進する重要なトレンドは、AM部門の個々の要件に合わせてカスタマイズできる柔軟性を備えたエンドツーエンドのプラットフォームの必要性です。現在、このようなソリューションを提供している企業はごくわずかです。

マシン接続の紹介

企業が業務をますますデジタル化するにつれて、マシンとマシンデータのネットワーク化も主要な要件になりつつあります。 MESソフトウェアは、さまざまな3Dプリンターを1つのプラットフォームに接続できるため、これを可能にする上でより大きな役割を果たします。

たとえば、AMFGは、EOSやHPなどのさまざまなAMシステムとのマシン接続を提供します。これは、AMシステムユーザーがAMFGのMESを使用してAM操作全体を管理できると同時に、ソフトウェアプラットフォームを介してマシンに直接接続できることを意味します。

単一のプラットフォーム内でマシンを接続すると、シームレスなデータフローが可能になり、AMを工業化に推進するために必要なトレーサビリティとスケーラビリティが提供されます。

MESソフトウェアは、他のソフトウェアの機能も徐々に統合しています。たとえば、一部のソリューションは、STLファイルを修復し、印刷用のモデルを準備する機能を提供します。

もう1つの例は、品質保証（QA）管理機能の統合です。たとえば、AMFGのMESプラットフォームを使用すると、ユーザーはレポート、データシート、3D画像などのドキュメントをインポートして、物理的な3D印刷されたパーツと比較できるため、QA要件が満たされていることを確認できます。

設計ソフトウェアと同様に、MESプラットフォームは人工知能（AI）ソリューションと組み合わせるのに役立ちます。

3D印刷ワークフローは非常にデータ量が多いため、注文状況、機械および材料のデータに関する多くの情報があり、監視および収集できるだけでなく、分析および処理も可能です（また、そうすべきです）。

AIアルゴリズムを統合することで、ソフトウェアは収集されたデータを分析し、生産操作をどこで改善できるかを提案できます。最終的には、主要なボトルネックがどこにあるか、およびプロセスを最適化して生産性を向上させる方法について、より高い可視性を提供できます。

品質保証ソフトウェア

多くの企業が、3Dプリントされた部品を生産で使用できるように認定するために取り組んでいます。現在、QA要件を満たす部品を認証するための2つの最も一般的な方法である破壊テストとCTスキャンは、費用と時間がかかり、無駄であり、常に正確な結果が得られるとは限りません。

QAプロセスを支援するためのより効率的な方法は、インプロセスモニタリングを使用することです。通常、インプロセスモニタリングには、3Dプリンター内に配置されたセンサーとカメラの組み合わせと、センサーによって収集されたデータを分析して意味のある方法で配信できるソフトウェアが含まれます。

このような組み合わせを提供している会社の1つがSigmaLabsです。 PrintRite3D®と呼ばれるそのソフトウェアパッケージは、モジュールINSPECT、CONTOUR、およびANALYTICSを備えています。たとえば、INSPECTモジュールは、溶融プール（レーザーが粉末を加熱している間に生成される溶融金属液体のプール）を測定して、異常を検出および予測できます。

Sigma LabのPrintRite3Dソフトウェアは、数少ないサードパーティソリューションの1つです。ほとんどの場合、金属3Dプリンターメーカーは社内でQAソフトウェアを開発しています。ただし、QAソフトウェアと統合されたマシンの数はまだ残念ながら少ないです。

たとえば、EOSTATEMeltPoolツールとVELO3DのSapphire3Dプリンターを備えたEOS3Dプリンターがあり、最近新しいAssureソフトウェアと統合されました。

企業は部品の検証を加速し、最終的には印刷プロセスのばらつきを減らしたいと考えているため、品質保証はAMの世界で新しい合言葉になりつつあります。これは、より多くのQAソフトウェアソリューションが登場するはずであることを意味します。この傾向はすでにゆっくりと形になり始めています。

脚光を浴びているAMソフトウェア：成熟の早いセグメント

ハードウェアと比較して、AM用のソフトウェアの開発は歴史的に遅くなっています。また、AMソフトウェア会社の数ははるかに少なく、このセグメントで見られるイノベーションのレベルに影響を与えています。

ただし、業界が成熟し続け、より高度なソリューションが市場に登場するにつれて、これは過去数年間で劇的に変化しました。 CADからシミュレーション、ワークフローソリューションに至るまで、AMをより迅速かつ簡単に本番環境に移行するためのソフトウェアが開発されています。

今後、この進歩のペースは加速し、AMが真のデジタルマニュファクチャリングソリューションになるのに役立つ可能性があります。