アディティブ製造、デスクトップ3Dプリントを超え産業生産へ拡大

3Dプリントは成長しています。その約束通り革命的なのか、それともワークツールボックスのまた一つの貴重なツールなのか、あるいは両方なのか？ MakerBotとラストベルトの3Dプリントコンサルタントに話を聞き、現状と行方を探りました。

3Dプリントはプロフェッショナルおよび製造中心の環境ではまだフルポテンシャルに達していませんが、そこには健全な成長の余地が大いにあると、アディティブ製造エンジニア、コンサルタント、アカデミック関係者は言います。そして金属粉末の革新を活用した新技術と機械が次々と登場しています。最大の疑問の一つは、この技術が部品設計と試作の寵児から、ショップフロアの主力へ移行できるかです。より高い生産レベルで軌道に乗るのか？ より大きな波を起こす障壁は何か？

業界内部関係者によると、あらゆる規模のショップがこれらの3Dプロセスを多様な独創的な方法で使用しています。アディティブ製造でしか実現できない形状を持つ、カスタムワークホールディングと金型から機能的な最終用途部品まで。

「CNCショップでは、MakerBotのようなもので、デバイスをフライス盤で必要な角度に保持する複雑な構造を3Dプリントしています」と、3DDirections社長のChris Barrett氏。「だからショップでは治具、固定具、一部の工具をこの方法で作っています。」

Barrett氏は化学者と物理学者の訓練を受けましたが、試験管に飽きて材料科学と工学へ進みました。オハイオ州拠点のため、伝統的製造と新興アディティブ・3Dプリント技術の両世界に触れてきました。両世界を強く理解した上でコンサルタントを始め、技術が最も理にかなうところで企業が活用できるよう支援しています。

注：Barrett氏はTooling U-SMEのトレーナーとして、6月27日にBetter MROでアディティブ製造についてのウェビナーを開催し、3Dプリントの7つの主要カテゴリを概説し、各タイプの長短所を議論しました。リプレイは上記動画リンクで視聴可能です。主題には以下が含まれます：

• 槽式光重合
  • ステレオリソグラフィー（SLA）とデジタルライトプロセッシング（DLP）を含む
• 粉末床溶融（PBF）
  • SLS、直接金属レーザー焼結（DMLS）、SLM、電子ビーム溶解（EBM）を含む
• バインダージェット印刷（BJP）
• マテリアルジェット印刷（MJP）
• シートラミネーション（LOM）
• 材料押出
  • 溶解積層法（FDM）を含む

• 指向性エネルギー堆積（DED）

「プロフェッショナル3Dプリンターが今日、メーカーとジョブショップでいくつかの重要な方法で使われています」と、MakerBotのエンジニアリングバイスプレジデント、Dave Veisz氏。「企業は職場整理のために、5Sリーン製造の実装、組立と測定治具、部品グリッパー、ゲージ、高強度プラスチックで十分な用途に使用しています…オーブン治具のようなユニークに高力・高温を要求する用途には使えませんが、多くの治具と工具用途ではうまく機能します。」

3Dプリントの重要な利点：幾何学的複雑さが「タダ」だ、とVeisz氏。例えば、鋳物をピックアンドプレースするグリッパーを設計する際、複雑な形状をしているとします。鋳物形状の逆形をCADで生成し、用途向けに修正して、完全にフィットするものをプリントできます。3Dプリントのコストと時間は主に部品体積で決まるため、従来製造プロセスでは達成困難な形状に追加コストがかからないのです。

金属3Dプリント、アディティブ製造：今日誰が使っているか？

金属粉末または高温熱可塑性樹脂を用いたアディティブ製造は、主に航空宇宙・防衛セクターで使用されています。理由は明確です：これらの企業は、コスト削減や納期短縮の可能性を持つ、より小さく、時には複雑な部品に向けて研究開発資金を投じられるからです。部品には：環境制御システム用複雑なダクト、風洞と無人航空機コンポーネント、燃料等液体タンク、代替部品、複合材積層など。

「ボイング、ロッキード、GE、ノースロップ・グラマンなど、大規模な収益基盤を持つ主要航空宇宙・防衛OEMはすべて参入しています」とBarrett氏。「他に使い始めているのは、今日チタン製人工股関節を作る医療機器企業です。しかし直面するのはコストです。」

OEMは仕事を入札し、中小メーカーにアウトソースしたいと考えています。課題は、規格が金属プリント部品にまだ追いついていないことです。大型旅客機向けFAA規格は、正当に厳格です。どの軽微な異常が許容され、どれが許容されないかを理解するには多くの研究が必要です。

現状では、中小ジョブショップがOEM向けに金属部品をプリントできたとしても、例えば規格上、承認済み機械で一種類の金属粉末しか使えません。つまり制約がコスト高になるとBarrett氏。ジョブショップは利益を出すために柔軟性が必要です。

ある航空宇宙・防衛メーカーが3Dアディティブでニッチを見つけた事例。 「3Dプリント部品を航空宇宙市場へ投入する方法」をお読みください。

「朗報は、今後5〜10年で規格が影響を与え始めることです」とBarrett氏。「現在、NIST（米国立標準技術研究所）がここで多くの研究をしています。」

航空宇宙やインプラントに限りません。ハンドヘルドデバイス、医療カート、手術ガイドとツールなど他の医療機器や、エネルギー、輸送、消費者製品カテゴリの部品も作られています。石油・ガスではローターとステーター用部品が量産されています。自動車ではパネリング、カスタムインテリア、グリル。消費者向けでは形状とフィット：眼鏡フレームと量産前設計。

技術的な質問がありますか？ MSC金属加工テックチームにフォーラムで質問してください。

MakerBotのMethod、プロフェッショナル市場とジョブショップをターゲットに

最初の消費者向け3Dプリント採用期に大きなトラクションと注目を集めた会社の一つがMakerBotです。2013年にStratasysに買収された同社は、過去数年間、ホビストと教育者市場を超えた研究開発に注力してきました。Stratasysは2015年からAirbus向けに3D部品を製造しています。

昨年12月、MakerBotはプロフェッショナル市場を狙ったより高度な3Dプリントマシン「Method」を発売しました。エントリーレベル産業用3Dプリンターの約3分の1のコストです。MakerBotはStratasysと協力して新機種に使われる技術を開発しました。Methodは約3年ぶりのMakerBot新ハードウェアプラットフォームです。

「Stratasysの知的財産と膨大な知見、MakerBotの設計とエンジニアリングDNAの組み合わせであり、我々がゼロから開発した最初のプラットフォームです」とVeisz氏。「両方のピースがなければ、この機械を成功させることはできませんでした。」

Methodの機能セットは完全に異なり、既存のデスクトップ3Dプリンターより堅牢だと主張します。その機能セットには、固形モデル材料と水溶性PVA（水溶性プラスチック）のデュアル押出、金属CNC加工フレーム、ドライシール材料ベイ、循環加熱チャンバーによる、制御された環境を作る温かい空気のクッションが含まれます。追加されるすべての層が同じ環境を見ます。

実際の動作を見るには、3DプリントとCNC加工の統合ウェビナーをご覧ください [出典：MakerBot]

「これは数万ドルから始まる産業用3Dプリンターで見られるもので、デスクトップの世界では見られません」とVeisz氏。デスクトップ3Dプリンターはホビストアーキテクチャを利用し、繰り返し寸法精度を提供しないため、厳しい公差を持つ多くの製造用途には不十分です。

デスクトップ3Dプリンターの印刷環境は産業用ほど制御されていないため、精度と機械稼働率も低下します。ほとんどのデスクトップ3Dプリンターでは、Z方向に上がると、部品がより冷たい環境にさらされ、層が弱まり、部品が異なるように反ります。

Methodでは、MakerBotは完成部品の公差を、X、Y、Z軸で最初の100ミリメートルについて±0.2ミリメートル、それ以上の寸法については同比率でミリメートルあたり0.002ミリメートルスケールアップすると主張しています。

「精密CNC加工公差には近くないが、ほとんどの治具、固定具、工具、試作には十分近い」とVeisz氏。「プラスチック射出成形公差と同等です。ほとんどのデスクトップ3Dプリントでは完成部品精度のクレームを見かけず、MakerBotも過去の機械では完成部品精度のクレームをしていません…ほとんどのデスクトップ3Dプリントでは部品の寸法精度クレームは見られません…これが、溶解性サポートのおかげで本当にあらゆる形状をプリントでき、機械機能と制御により一貫した部品精度でプリントできる、我々が発売した最初のプリンターであることは注目に値します。」

今日、試作、治具、固定具作りに3Dプリントを使っていますか？ フォーラムで語ってください。[登録必須]