アディティブ マニュファクチャリングの革新的な用途

ハイテク産業では、アディティブ マニュファクチャリング ソフトウェア コンポーネントの使用が増加しています。市場調査会社の MarketsandMarkets (M&M) によると、3D プリンターの生産と付加製造の生産高は 2017 年に 35 億ドルに増加しました。付加製造の主な採用者は、医療機器、航空宇宙、自動車産業でした。

これは驚くべきことではありません。積層造形では、複雑な形状をプリントするコストは、特に少量の場合、単純なデザインと同じです。

医療機器と外科

アディティブ マニュファクチャリングの利点は、医療業界に恩恵をもたらします。積層造形を活用することで、医療業界は歯科および整形外科用途向けの高度にカスタマイズされたインプラントを構築しています。アディティブ マニュファクチャリングはツールとセットアップのコストを削減するため (サブトラクティブ マニュファクチャリングで必要)、医師は患者にカスタム インプラントと補綴物を提案する際に規模の経済について心配する必要はありません。

さらに、アディティブ マニュファクチャリングにより、製造業者は、人間の骨に接続するように設計された関節など、非常に複雑で非常に繊細な設計を作成することも可能になりました。これらのソリューションを作成するには、3D プリンターで、骨組織が融合できる微細なフラクタル格子構造を作成する必要があります。これにより、インプラントと骨の間に強力な接続が提供されます。このような形を作る方法は他にありません。

同様に、歯科用インプラントと挿入には、正確な適合を達成するための信じられないほどのカスタマイズと非常に複雑な設計の両方が含まれます。歯科インプラントプロセスにはかなりの精度があります。まず、口のレントゲンを撮って骨を調べます。第二に、外科医は歯科インプラント用の穴を開けなければなりません。ただし、外科医は、インプラント (インプラントのスクリューなど) が歯の配置と完全に一致していることを保証する必要があります。 3D プリントのおかげで、歯科医はカスタムメイドのインプラントを確保できるようになりました。これらのインプラントおよび関連するドリル ガイドは、専用の 3D 印刷コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアでカスタム設計され、高度な自動化によって製造されます。

脳手術の場合、医師は患者の CT スキャンに続いて特注の治具を作成します。歯科や整形外科と同様に、これには、患者の頭蓋骨に正確にフィットし、手術中に外科医のツールをガイドするインプラントの製造が含まれます。ここでも、専用の 3D ソフトウェアがこれらの手術補助具の設計を自動化しました。

航空宇宙とインフラ

航空宇宙は、アディティブ マニュファクチャリングの採用における先駆者です。最近では、その努力の結果、商用ターボファン エンジンで使用する 3D プリント部品が生まれました。

General Electric (GE) と Safran Aircraft Engines の合弁会社である LEAP ターボファン エンジンには、3D プリントされた燃料ノズルが装備されています。米国連邦航空局は、2015 年に民間航空機でのノズルの使用を許可しました。この部品は、古い世代のエンジンの前身よりも 25% 軽量であるだけでなく、GE によると、5 倍の耐久性があります。

3D プリントされた部品は、LEAP エンジンを搭載した航空機の燃費と二酸化炭素排出量の削減に大きなメリットをもたらすと同時に、製造サプライ チェーンを合理化します。 3D プリンティングにより、GE は 20 の異なる部品を 1 つのユニットで置き換えることができました。これにより、製造プロセスが簡素化されるだけでなく、ライフサイクルのメンテナンス コストも削減されます。

3D CAD とコンピュータ支援エンジニアリング (CAE) ソフトウェアの使用は、航空宇宙産業の設計と開発の取り組みに欠かせない要素です。 GE は CAD/CAE を活用して、必要な設計調査、シミュレーション、および分析を行い、新しいノズルを開発し、試作段階に進む前にその実行可能性を評価しました。

特に 20 年以上にわたって、これらの航空機を何十機も運用している航空会社のコスト削減を想像してみてください。これらはアディティブ マニュファクチャリングの直接的な利点であるため、他のサブアセンブリやコンポーネントの処理における成長が、他の多くの分野で製造業者、サプライヤー、消費者にどのように利益をもたらすかを見ることができます。

コスト削減のための最適化に加えて、3D プリントは業界が非常に複雑な製造を行うことも可能にしました。熱交換器を検討してください。これらの装置には、一方の側から高温の​​液体を流し、もう一方の側から冷たい液体を流すための多数のチューブ、微粉、およびその他の入力があります。しかし、その組み立て工程では、冷却フィンを溶接し、防水ボックスに挿入する必要があります。これは面倒で時間のかかる製造プロセスであり、失敗の余地がかなりあります。

しかし、3D プリントを使用すると、熱交換器を 1 つの統合ショットで製造できます。 1つのユニットを製造するのに比較的長い時間がかかる可能性がありますが、最終結果ははるかに信頼できます. LEAP と同様に、目的は、大幅なパフォーマンスの向上に加えて、組み立てに必要な部品の数を統合することです。

アディティブ マニュファクチャリングの未来

アディティブ マニュファクチャリングに関連する技術は、機能が向上し、価格が低下しています。さらに、新しいアディティブ マニュファクチャリング アプリケーションが常に発見されています。ただし、プロセス制御とプロセスの予測可能性にはまだ大きなハードルがあります。

プロセス制御に関しては、アディティブ マニュファクチャリングには、原材料を最終部品に製造するプロセスを管理するための業界全体の基準がありません。従来の製造 (除去製造を含む) は、これらの標準の恩恵を受けます (例:機械加工プロセス中の冶金学的挙動、スタンピングまたは鍛造)。エンジニアが参照および相談できる業界標準のリファレンスがあります。

しかし、業界は積層造形の標準をまだ構築していません。たとえば、GE などの個々の航空宇宙企業は、積層造形の取り組みのために独自の管理体制を構築していますが、個々の 3D プリント サプライヤーには、管理体制と業界標準がまったくありません。これは、標準化団体が、誰でも、特に小規模な製造業者が使用できる共通のコンプライアンス認証を開発することによって改善することができます。

最後に、プロセスの予測可能性は、3D プリンターの使用者にとって依然として大きな課題です。部品の向き、サポート材料、およびプロセス パラメータを最適化するには、かなりの試行錯誤が必要です。しかし、これは 3D プリントで使用されるソフトウェア ツールの開発者にとって大きなチャンスでもあります。物理ベースのシミュレーションは大きな前進です。このシミュレーション要素を 3D プリンター メーカーからのマシン固有のプロセス情報と組み合わせることで、メーカーはエラーや廃棄率を減らすことができます。

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