積層造形の革新的応用：ハイテク産業を変革

積層造形ソフトウェアコンポーネントの活用がハイテク産業で拡大しています。市場調査会社MarketsandMarkets（M&M）によると、3Dプリンタ生産と積層造形アウトプットの価値は2017年に35億ドルに成長しました。積層造形の主要な採用業界は、医療機器、航空宇宙、自動車でした。

これは驚くことではありません。積層造形では、特に少量生産において、複雑な形状のプリントコストはシンプルな設計と同等です。

医療機器と手術

積層造形の利点は医療業界にとって大きな恩恵です。積層造形を活用することで、医療業界は歯科と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。積層造形は工具とセットアップのコスト（減法製造で必要）を排除するため、医師はカスタムインプラントと義肢を患者に提案する際、規模の経済を心配する必要がありません。

さらに、積層造形により、人間の骨と接続するように設計された関節など、非常に複雑で繊細な設計の製造も可能になりました。これらのソリューションを製造するには、3Dプリンタが骨組織の融着できる微細なフラクタル格子構造を造形する必要があり、それによりインプラントと骨の間に強力な接続を提供します。このような形状を製造する他の方法はありません。

同様に、歯科インプラントと挿入には、驚異的なカスタマイズと精密なフィットを実現するための非常に複雑な設計が関わります。歯科インプラントプロセスには相当な精度が求められます。まず、口腔内のX線で骨を検査します。次に、歯科インプラント用の穴を外科医が開けます。しかし、外科医はインプラント（インプラント用ネジなど）が歯の配置と完全に整合することを保証しなければなりません。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と関連するドリルガイドは、専門的な3DプリントCADソフトウェアでカスタム設計され、高度な自動化で製造されます。

脳手術では、医師は患者のCTスキャンに基づいてカスタム治具を作成します。歯科と整形外科と同様に、これは患者の頭蓋骨に精密にフィットし、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を伴います。再び、専門的な3Dソフトウェアがこれらの手術支援の設計を自動化しました。

航空宇宙とインフラ

航空宇宙は積層造形の採用で先駆者となってきました。最近、その取り組みが商用ターボファンエンジンで使用される3Dプリント部品の実現につながりました。

LEAPターボファンエンジン（General Electric（GE）とSafran Aircraft Enginesの合弁）には、3Dプリントされた燃料ノズルが搭載されています。米連邦航空局（FAA）は2015年にこのノズルの商用航空機搭載を承認しました。この部品は旧世代エンジンの前任者より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。

LEAPエンジン搭載航空機では大幅な燃費向上とCO2排出削減をもたらす一方で、3Dプリント部品は生産サプライチェーンも合理化します。3Dプリントにより、GEは20個の異なる部品をわずか1ユニットに置き換えられました。これは製造プロセスをシンプルにするだけでなく、ライフサイクルメンテナンスコストも削減します。

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、航空宇宙業界の設計開発における不可欠な要素です。GEはCAD/CAEを活用して、必要な設計研究、シミュレーション、解析を行い、プロトタイピング段階に進む前に新しいノズルを開発し、その実現可能性を評価しました。

数十機のこのような航空機を運航する航空会社、特に20年以上の期間でのコスト削減を想像してみてください。これらは積層造形の直接的なメリットであり、他のサブアセンブリやコンポーネントでの成長が、メーカー、サプライヤー、消費者の多くの分野で利益を拡大する様子がわかります。

コスト削減の最適化に加えて、3Dプリントは非常に複雑な製造も可能にしました。熱交換器を考えてみてください。これらのデバイスには、片側から熱い流体、もう片側から冷たい流体を流すための多数のチューブ、フィン、その他の入力があります。しかし、その組み立てプロセスには、冷却フィンの溶接と水密ボックスへの挿入が必要です。これは失敗の余地が大きい、労力と時間のかかる製造プロセスです。

しかし3Dプリントなら、熱交換器を1回の統合ショットで製造できます。1ユニットの製造には比較的長い時間がかかるかもしれませんが、最終結果ははるかに信頼性が高くなります。LEAPと同様に、目的は組み立てに必要な部品数を統合することに加え、大幅な性能改善を付与することです。

積層造形の未来

積層造形に関わるテクノロジーは能力が向上し、価格は低下しています。さらに、新しい積層造形アプリケーションが常に見つかっています。しかし、プロセス制御とプロセス予測可能性には依然として大きなハードルがあります。

プロセス制御の観点では、積層造形には、原材料を完成部品に製造するプロセスを管理する業界全体の標準がありません。減法製造を含む従来製造は、これらの標準（加工プロセス中の冶金的挙動、スタンピング、鍛造など）の恩恵を受けています。エンジニアが参照・相談できる業界標準リファレンスがあります。

しかし、業界はまだ積層造形向けのそれらの標準を構築していません。例えば、GEのような個々の航空宇宙企業が自社の積層造形活動のために独自の制御体制を構築している一方で、個々の3Dプリントサプライヤーには制御体制も業界標準も完全に欠如しています。これは、特に中小メーカーが利用できる共通のコンプライアンス認証を開発する標準化団体によって最もよく解決できます。

最後に、プロセス予測可能性は依然として3Dプリンタ使用者にとって大きな課題です。部品の向き、サポート材、プロセスパラメータの最適化には相当な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を開発する人々にとって大きな機会でもあります。物理ベースのシミュレーションは大きな前進となります。このシミュレーション要素を3Dプリンタ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、メーカーのエラー率とスクラップ率を削減できます。

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