スマートファクトリーでの積層造形：成功への5つの鍵

[画像クレジット：3D Systems]

デジタルテクノロジーの進化により、製造工場の運営方法が根本的に変化しました。施設はますます相互接続され、スマートファクトリーとしても知られる未来のファクトリーへの道を開いています。

今日、工場の3分の1以上がスマート施設に変わり、企業は今後5年間でさらに40％を設立することを計画しています。

スマートファクトリーへの移行を促進する重要なテクノロジーの1つは、不可欠なデジタル製造方法であるアディティブマニュファクチャリング（AM）です。

ただし、AMをスマートファクトリに統合するには、さまざまな課題が伴います。接続性とトレーサビリティの欠如に加えて、企業は、持続可能性の原則に基づいて自動化された安全なAMワークフローを確立することに関して困難に直面しています。

早い段階でこれらの要因を考慮せずに、AMをスマートファクトリーの一部にしようとしているメーカーは、事業の成長に伴い、テクノロジーの使用を拡大するのに苦労します。

以下では、AMをスマートファクトリに統合するために不可欠な5つの要件について詳しく説明し、スマート製造への道のりをサポートするヒント、ソリューション、およびアプローチを共有します。

AMはスマートファクトリーにどのように適合しますか？

キャップジェミニのレポートによると、スマートファクトリーのメリットを享受するために、メーカーの70％近くがデジタルトランスフォーメーションの旅に乗り出しました。

このデジタル化を背景に、AMは急速に主要なデジタル製造技術になりつつあります。

AM（3D印刷）では、部品の製造プロセスがソフトウェアによって制御されるため、高度にデジタル化されたプロセスになります。これには、CADで3Dモデルを作成し、それを2次元レイヤーに変換して、印刷中に次々に適用することが含まれます。金型や切削工具に依存する従来のプロセスとは異なり、AMで必要なツールは3Dプリンターだけです。

AMには多くの利点がありますが、多くの組織は依然として、スマートファクトリソリューションとして積層造形を最大限に活用するのに苦労しています。この理由は、多くの場合、スマートファクトリ全体でAMを拡張するために必要な接続性、自動化、およびセキュリティの欠如にあります。

AMをスマートファクトリに正常に統合するための5つの鍵

AMは成熟してスマート製造エコシステムの一部になるため、AMの5つの重要な要件を特定しました。

1。接続とデータ管理

アディティブマニュファクチャリングでは、生産のすべての段階でデータが継続的に生成されます。これには、ハードウェアおよび材料からのデータから、さまざまなソフトウェアシステム（ERP、PLM）からのデータまでが含まれます。

このデータを洞察と運用の改善に使用できるようにするには、機器やデータの一部が孤立したままにならないようにすることが重要です。

産業用モノのインターネット（IIoT）は、センサー、送信機、ソフトウェア、およびネットワークを使用して、接続性とデータ収集機能の向上を可能にする重要なテクノロジーです。

IIoTは、オペレーショナルテクノロジー（AMマシンおよびその他の機器）と情報テクノロジー（ソフトウェアおよびネットワーク）の間のサイロを取り除き、データの継続的なリアルタイム転送を保証する機能を提供します。

新世代の3DプリンターにはIIoT機能が搭載されていますが、メーカーはIIoTによって提供されるデータの収集と分析に苦労しています。 AMデータを使用する際の主な課題の1つは、データへのリアルタイムアクセスを許可しない、切断されたシステムと手動プロセスです。

より良い接続性とデータへのアクセスを実現する1つの方法は、マシンとERP、PLMなどのソフトウェアシステムを単一のシステムにリンクできる専用ソフトウェアを使用することです。

このようなシステムの確立は、AMプロセスを接続する集中型プラットフォームとして機能する製造実行システム（MES）ソフトウェアを介して可能です。

MESソフトウェアによって実現される接続性により、データをすぐに利用できるようになり、完全なトレーサビリティと俊敏な意思決定をサポートする、関連するAMデータのシームレスなリアルタイムストリームを確立できます。

たとえば、AM用のMESソフトウェアは、機械の使用状況、生産量、修理時間など、設備総合効率（OEE）に関連するKPIを追跡および文書化するダッシュボード機能を提供できます。

これにより、AM生産計画の最適化が可能になり、デジタルファクトリでのAMの高度な使用がサポートされます。

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2。自動化

今日のAMの最大の制限要因の1つは、反復作業にかかる人件費です。そのため、AMをスマートファクトリーのフロアに導入するための鍵は、エンドツーエンドの自動化にあります。

自動化は、ハードウェアとソフトウェア、およびロボット工学、センサー、ネットワークの組み合わせによって実現され、エンドツーエンドのデジタル生産サイクルの一部として、より合理化されたプロセスを保証します。

AMの自動化は、設計から製造、部品の取り扱い、後処理まで、AMワークフローのすべてのレベルに及びます。

設計段階では、現在、サポートの生成など、設計プロセスの一部を自動化するのに役立つソリューションがあります。

さらに、トポロジ最適化などの設計ツールは、特定のアプリケーションおよびエンジニアリング要件に最適なAM設計を生成および検証するのに役立つように進化しています。

生産段階では、MESソフトウェアの助けを借りて生産計画と管理を合理化する機会があります。このソフトウェアは、単一のデジタルプラットフォームを使用することで、手動の注文処理やプロジェクト管理などの労働集約的なプロセスに取って代わります。

さらに、センサーを使用することで3D印刷ハードウェアがより自動化され、完全なプロセス監視が可能になります。企業がよりスマートなハードウェアから利益を得る方法の一例は、リモートメンテナンスです。これにより、障害が発生した場合に、企業はソリューションをより迅速に見つけて、高いOEEを確保できます。

すべてのAMワークフローステージの中で、AM後処理は長い間最も自動化されていませんでした。これは現在変化しており、自動洗浄、粉末除去、サポートの取り外し、3Dプリント部品の染色を対象とした後処理システムが導入されています。

ロボットと無人搬送車も、部品の取り扱いとロード/アップロード操作を合理化することにより、AMプロセスの自動化においてますます重要な役割を果たしています。

3。トレーサビリティ

トレーサビリティは現在、生産にAMを採用している企業が直面している重要な懸念事項の1つです。

製造において、トレーサビリティとは、原材料が工場に入る瞬間から最終製品が出荷される瞬間まで、製造プロセス全体を通してすべての部品と製品を追跡する能力を意味します。

トレーサビリティの重要性は、製品のリコールの可能性を超えています。これは、生産プロセス全体の可視性を向上させ、重要なデータを追跡してプロセスを最適化できるようにすることでもあります。

AM製造プロセスに沿ったトレーサビリティの需要は、次のようないくつかの要因によって促進されます。

• 適切な品質プロセスの必要性
• 正確な生産データレポートの必要性
• 顧客の要件

規制、報告、品質管理の要件が出てきているため、AMをスマートファクトリーに統合するには、AMエコシステムとサプライチェーン全体での現在のトレーサビリティの欠如に対処する必要があります。

これに対する1つの課題は、再利用されたマテリアルをトレースする機能です。たとえば、金属粉末ベッドフュージョン技術では、印刷プロセスが完了した後、ある程度の金属粉末が溶けずに残り、ふるいにかけて、指定された比率で新しい粉末とブレンドすることができます。

材料の再利用プロセスは追跡可能である必要があります。これにより、エンドユーザーは、重要な部品を構築するために高品質の材料を使用していることを確認できます。

現在、粉末の起源、リサイクルされた回数、および粉末が使用されたビルドを追跡するために、いくつかのソフトウェアソリューションが利用可能です。

さらに、バッチのトレーサビリティは、各バッチの部品が安全基準または品質基準に準拠していることを確認するために不可欠です。

たとえば、部品に障害が発生した場合、根本的な原因を特定する必要があります。オペレーターが部品の故障の原因を追跡できるシステムを持つことは、作業中のトレーサビリティの基本的な例です。適切なデータが手元になければ、このレベルのトレーサビリティを達成することは不可能です。

AM企業がトレーサビリティを実現するために採用しているシステムの一例はMESです。 MESソフトウェアによって実現されるエンドツーエンドのトレーサビリティは、データ分析およびビジネスインテリジェンスツールを通じて、より効果的な品質管理プロセスを確立できます。

3Dファイルとパーツに何が起こったかを正確に追跡でき、製品ライフサイクルに沿って、AMのプロセス品質が新しいレベルに追加されます。これにより、企業は主要なデータを簡単に確認し、エラーや障害が発生したときにプロセスを最適化できます。

追跡可能なAM運用を確立することは、サプライチェーン全体の透明性と説明責任を確保し、製品が特定の基準を満たし、業界の規制に準拠していることを証明するのに役立つため、生産にテクノロジーを使用するための最初のステップです。

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4。持続可能性

スマートファクトリーでは、従来の線形の「テイク、メイク、ディスポーズ」生産モデルはもはや実行可能ではありません。スマートマニュファクチャリングとは、企業が材料原料から使用済み消耗品まで、資源を保護および再利用するサーキュラーエコノミーを追求する持続可能な製造を意味します。

AMは、生産に必要な材料が少なくて済む、より効率的な設計を作成できるため、持続可能な技術と見なされることがよくあります。

これらのメリットにもかかわらず、まだ改善の余地があります。スマートファクトリーでAMを持続的に使用するには、主要な持続可能性の原則を検討することが重要です。

• エネルギー使用量
• マテリアルの再利用
• 廃棄物管理

エネルギー使用量の削減

持続可能性の観点から、エネルギー消費率は、CO2排出量などの環境への配慮と直接相関しています。

特に金属を使用した積層造形は、決して低エネルギー技術ではありません。

AMをスマート製造の一部にするには、高いエネルギー消費率を相殺する方法を見つける必要があります。

そのための1つの方法は、テクノロジに適したアプリケーションを選択し、その設計を可能な限り最適化することです。最適化された設計は、より安価で迅速に作成できます。さらに、より優れた設計は、エネルギー効率を高めることにより、付加的に製造された部品（たとえば、自動車や飛行機）が使用されるシステムにメリットをもたらします。

資料をできるだけ長く使用し続ける

考慮すべきもう1つの重要な持続可能性要因は、AM材料のリサイクル可能性と再利用です。

AMで使用されるポリマーは、ほとんどの場合、簡単にリサイクルできますが、材料の持続可能な使用に関する最大の懸念は、金属AMにあります。

金属粉末を使用する金属AM技術を採用する場合、金属粉末を適切にリサイクルおよび再利用するためのプロセスを確立することが重要です。これには、たとえば、材料のトレーサビリティを確保するために、使用済みと未使用の粉末をブレンドするための厳格な体制の作成が含まれます。

AM粉末の再利用に加えて、業界はスクラップ材料を積層造形に適した粉末にリサイクルするアプローチを開発しています。

たとえば、以前はAmastan Technologiesであった6Kは、UniMeltプロセスで完全なサーキュラーエコノミーに貢献しています。これは、旋削や削りくずなどの機械加工からのスクラップ、およびAMサポートと不良部品を微細な粒子に機械的に研削する独自の方法を使用します。次に、これらはプラズマシステムを介して供給され、高品質の粉末を生成します。

廃棄物の管理

AMの現実は、本質的に無駄ではないということです。廃棄物の主な原因は2つあります。1つは後処理廃棄物で、もう1つは印刷の失敗です。

ほとんどの場合、これらの廃棄物の流れは、設計および構築の準備段階でそれらを考慮に入れることで大幅に最小限に抑えることができます。

たとえば、エンジニアはサポート構造を最適化して、印刷の完了後に削除されるサポート構造の材料を減らすことができます。

シミュレーションソフトウェアを使用すると、印刷の失敗を防ぐことができ、印刷プロセス中にパーツがどのように動作するかを垣間見ることができます。シミュレーションにより、印刷の失敗につながる印刷の問題を予測し、設計段階でそれらを補うことが容易になります。

最終的には、適切なアプローチにより、ほぼ無駄のない積層造形プロセスを確立する可能性が広がります。

5。エンドツーエンドのセキュリティ

業界がスマートマニュファクチャリングに伴うビジネス価値を獲得しようとするにつれて、サイバーセキュリティの問題に対処する必要性はかつてないほど高まっています。

AMデータの整合性、機密性、および権利管理が適切に行われていなければ、企業はスマートファクトリでAMを拡張できません。

これをサポートするのは、セキュリティリスクのためにメーカーの3分の1以上がデジタルテクノロジーへの投資に消極的であるという事実です。

AMのようなデジタル技術のセキュリティに関する懸念は十分に根拠があります。デジタルファイルには、製品の仕様と部品の製造方法に関するデータが含まれています。

このようなデータへの不正アクセスは、データの盗難や改ざんなどのビジネスに深刻な影響を及ぼし、企業の知的財産の完全性に重大な脅威をもたらす可能性があります。

従来の製造では、1つのアイテムの盗難は、通常、かなりの収入の損失にはなりません。 AMを使用すると、結果ははるかに深刻になる可能性があります。

設計ファイルが危険にさらされると、権限のない人が部品の独自の設計機能にアクセスできるようになり、適切な機器があれば、オブジェクトを何度でも複製するための青写真が得られます。

結果として、スマートファクトリ内および外部パートナーへのAMデータの安全なデジタル送信は、データの整合性を維持するために重要になります。

スマートファクトリ環境でAMを保護するためのヒント

スマートファクトリ全体でAMデータを保護するために焦点を当てる必要があることがいくつかあります。

人々を教育する

まず、ユーザーが最大の脅威になる可能性があることを認識する必要があります。スタッフは、会社のデータやシステムを危険にさらすような間違いを犯す可能性があります。これは、多くの場合、彼らが働いているビジネスを保護する方法を教えるために必要なトレーニングを受けていないためです。

そのため、スタッフを教育し、サイバー脅威と対策に注意を払うようにスタッフを動機付けることが最優先事項にならなければなりません。

データへのアクセスを管理する

次に、データへのアクセスを管理する方法に焦点を当て、暗号化と強力な認証の慣行に従う必要があります。

いくつかの企業がAMのセキュリティソリューションを開発しており、設計ファイルを暗号化できるため、許可されたユーザーのみが同封のデータにアクセスできます。

安全なファイル形式に切り替えます

もう1つの考慮事項は、安全なデータ転送と相互運用性をサポートする標準化されたファイル形式を採用することです。

AM業界は引き続き旧式の.stlファイル形式に依存していますが、.3mfと呼ばれるより効率的なファイル形式に置き換える動きがあります。 .stlと比較して、新しいファイル形式は、データの商業的誤用やデータの破損を防ぐデータ保護機能を念頭に置いて設計されています。

セキュリティ機能を念頭に置いてAMハードウェアに投資する

さらに、3Dプリンターの接続性が高まるにつれて、調達プロセス中にセキュリティを要件にする必要があります。 AM機器は長年にわたって使用できるため、高度に接続された工場ネットワークでの保守と保護を容易にするために、セキュリティ機能を機器の設計に統合する必要があります。

AMを保護するための多くの可能性がありますが、肝心なのは、すべての問題に対処する単一のソリューションはないということです。むしろ、ライフサイクル全体を通じて製品グレードのAMを適切に保護するには、さまざまなテクノロジーが必要になります。

適切なツールを使用してスマートファクトリでAMをスケーリングする

COVID-19は、現在の危機によってもたらされた変化や課題に対応するために、従来のサプライチェーンと製造エコシステムがより適応性と機敏性を備えていなければならないことを世界に示しました。

1つの解決策は、スマートマニュファクチャリングへの推進力の一部としてAMなどのデジタルテクノロジーを採用することにあります。

多くの企業がAMを採用していますが、追跡可能で、自動化され、安全で、持続可能なワークフローを設定するには、適切なツールとプロセスを使用する必要があります。

これらの要件の大部分は、AMテクノロジーの固有のニーズに合わせて設計されたMESの助けを借りて達成できます。

付加的なMESソフトウェアを使用すると、製造業者は生産計画、スケジューリング、実装をデジタルスレッドにリンクし、データを使用して可視性を高め、組織全体でベストプラクティスプロセスを確立できます。

戦略的な目標と適切なツールとテクノロジーが整っている場合にのみ、メーカーは将来の工場でAMを長期的に成功させるための基礎を築くことができます。