なぜ3Dプリンティングが現代製造業に革命をもたらすのか

ここ数年、積層造形（および3Dプリンティング）を巡る誇大広告は膨大です。しかし、この技術は本当にすべてのメーカーにとって実現可能なのでしょうか？ 答えは「ケースバイケース」です。

人体部品から住宅まで、3Dプリンティング（製造業では積層造形と呼ばれる）は、消費者向けの話題性あるテクノロジーファッドから、医療用インプラント、自動車・航空機部品、工業デザイナー向けプラスチックプロトタイプなど、実用的かつアクセス可能な「ものづくり手段」へと急速に移行しました。

積層造形とは一体何でしょうか？ MIT Technology Reviewは、「機械が超薄層の材料を一層ずつ積み上げて物体を構築する、3Dプリンティングの産業版」と説明しています。既存材料から要素を削り取り除去する従来の機械加工（従来の金属加工、フライス、CNC加工など）とは異なり、積層造形はゼロから構築します。

積層造形のメリットは何でしょうか？ 企業にイノベーションの幅を広げ、社内工具や顧客部品・材料ニーズに合わせたカスタム製造を可能にし、「製造時の材料ロス削減、製品歩留まり向上、労働投入量削減」によってコストを下げられると、Deloitte University Pressは工具への3D応用を詳述した記事で述べています。

3Dプリンティング：積層造形の採用が上昇中

PwCとThe Manufacturing Instituteの調査によると、メーカーの約3分の2が何らかの形でこの技術をすでに採用しており、半数以上がプロトタイピングに使用しています。これは2年前の35%から大きく跳ね上がりました。

さらに調査は、メーカーの過半数が「今後5年以内に積層造形が大量生産に使われるようになる」と予想しており、2年前の38%から増加していることを示唆しています。

金属積層造形の市場もこれらの結果を裏付けています。SmarTech Publishingの「Additive Manufacturing with Metal Powders 2017」によると、積層造形システムと金属粉末材料の市場は2016年に9.5億ドルを超え、2026年までに66億ドルに成長すると予測されています。

3Dプリンティング、積層造形の課題：時間とコスト

積層造形を巡る巨大な誇大広告がある一方で、理解すべき制約もあります。第一に、積層造形は生産が遅い場合があります。CNC金属加工で達成できるような量産性とは、リンゴとオレンジの比較です。

「金属の場合、問題は異なります」と、Star Rapidの創業者兼社長ゴードン・スタイルズ氏はEngineering.comのインタビューで語っています。「CNC加工向けに設計されたものを3Dプリントする意味はありません。材料体積に比例してプリント時間がかかるため、自然と遅くなります。CNC向けに設計された金属部品の多くは体積が大きく、3Dプリンターでは非常に時間がかかります。」

複数の企業がプロセス高速化に取り組んでいます、とスタイルズ氏は付け加えます。しかし、改良された技術は企業にもう一つの大きな課題をもたらします：コストです。積層造形は高コストになり得るため、すべての「コストレバー」を理解することが重要だと、先進製造業戦略コンサルタントのジェイソン・T・レイ氏は指摘します。

「AM（積層造形）の新規性と、機械購入に必要な高い初期投資コストのため、ユースケースが『釘を探すハンマー』になりがちで、コストベネフィット駆動のプロセスになっていません」と、レイ氏はDisruptive magazineの「積層造形コストの計算」で指摘します。「これが起きると再設計への重点が薄れ、企業は従来製造法向けに設計された部品を生産することになり、AMに関連するエンドユースメリットのごく一部しか得られません。」

しかし、ノッティンガム大学の報告書によると、それは永遠ではないかもしれません。彼らの理論：機械技術がより高度になれば、積層造形を生産採用する経済的妥当性が高まります。しかし、機械が現状のままであれば、コストは高止まりし続けます。

「今日では限られていますが、10年後には数百種類の材料が利用可能になるでしょう」とスタイルズ氏はEngineering.comに語ります。「問題は材料の可用性ではなく、材料切り替えに必要な時間と労力です。今日は新しい材料への機械切り替えに約24時間かかります。」

しかし、CNC加工の方が積層造形よりコスト高になるケースもあります。確実に知る方法は一つだけです。

「最良の方法は、ラピッドプロトタイピングサービスプロバイダーから、両プロセスの見積もりを取ることです」とスタイルズ氏は説明します。「ただし、経験則として：部品がCNC加工可能なら、CNC加工の方が安い可能性が高く、90%のケースでこれが真実です。」

さらに、スタイルズ氏は一部の積層造形材料がCNC加工による後処理（サポート除去など）を必要とすることも指摘します。そして何より、熱はおそらく最大の問題であり、製品を文字通り引き裂く恐れがあります。

工場での3Dプリンティング：プラスチック、部品、工具、ハイブリッド

課題はあるものの、プラスチックでのプロトタイピングでは積層造形に大きなメリットがあります。プラスチックでCNCプロトタイピングする場合、円筒形カッターが内側の直角コーナー（こうした設計で一般的）を加工しにくいという問題があります。3Dプリンティングなら、カスタマイズの機会とプロトタイピングでの試行錯誤が、製品・部品・工具設計者にとって理にかなっています。

積層造形は「セットアップ、工具準備、同様の準備時間の節約メリットがあるため、実際の単位部品あたりの時間が純粋な減法プロセスより大幅に長くても、短納期が必要な少量生産に最適です」と、CNC CookbookのCEO兼創業者ボブ・ウォーフィールド氏はハイブリッド加工（積層と減法の共存）に関する記事で指摘しています。

部品・工具への積層造形活用事例

積層造形の実用事例は注目に値します。主要産業メーカーのいくつかが、積層造形の可能性を最大限に活用しています。いくつかの大手プレイヤーの例を紹介します。

GEは、年間25,000個生産するLEAPジェットエンジン用燃料ノズルで、複数の面からコスト削減を期待しています。第一に、積層造形技術は生産時の材料使用量を減らします。従来工法では20部品を入念に溶接する必要があり、大量のスクラップ廃材が発生したとMIT Technology Reviewは指摘します。

「重要な金属合金部品を、数千台のジェットエンジンで使用するために大量生産する決定は、この技術にとって重要なマイルストーンです」と、MIT Technology Reviewのマーティン・ラモニカ氏は書いています。「消費者や小規模起業家向け3Dプリンティングが大きな宣伝を受けている一方で、この技術が最も重要な商業的インパクトを与えるのは製造分野かもしれません。」

ここでの積層プロセスは、レーザー噴射で成形されるハイブリッド金属粉末を使用し、部品を軽量化することで航空会社の燃料費削減につなげます。製造コストが安く、新部品が顧客コストを下げるという真のウィンウィンです。

工具分野では、Deloitteが積層造形の活用を説得力を持って提唱しています。鋳造と社内工具製作のリードタイムを大幅短縮したラピッドプロトタイピングの実例を詳述しています。Deloitteは、Ford Motor CompanyがEcoBoostエンジン、ローターサポート、トランスミッションカバー、フォード・エクスプローラーのブレーキローターで積層造形を大規模に活用していることを説明しています。

「同社はAMを用いて、試作部品鋳造用の砂型とコアを迅速に作成しています」とDeloitteは述べています。「これにより、リードタイムを最大4ヶ月短縮し、数百万ドルのコスト削減を達成しました。」

ハイブリッド加工の意義：積層と減法の融合

ハイブリッドについて言えば、積層造形ツールメーカーは、積層と減法の両方を備えたハイブリッドマシンの開発を始めており、それらは見事なものです。これらの「ハイブリッド」マシンは、3Dプリンティングの幾何学的自由度とCNC加工の精密さを融合させています。

「極めて少量の極めて高度な部品、たとえばメンテナンス施設のタービン交換部品が必要なケースを想像してください」とウォーフィールド氏は書いています。「このような[ハイブリッド]マシンがまさに理想的かもしれません。」

しかし、これらの新ツールの多くでは、単一部品の製造に限定され、デジタルファイルから直接製造できないことが多々あります。これは純粋な積層戦略では可能なことです。

「金属3Dプリンティングを『解放のテクノロジー』と捉える必要があります」とスタイルズ氏は強調します。「一見不可能に見える部品を設計しても製造できるようになりましたが、鍵は材料体積を最小限に抑えることです。」

大手メーカーにとって積層造形はインパクトを与えています。しかしDeloitteが指摘するように、そのインパクトはイノベーションの適切な文脈で捉える必要があります：

「現在、工具製作へのAMは、サプライチェーンや製品設計に革命をもたらすほどではなく、サプライチェーンと製品の効率と効果を改善する程度です。しかし、AM技術が向上し続け、工具へのAM活用が拡大すれば、企業のイノベーション能力を高めることで、サプライチェーンと製品により直接的な影響を与える可能性があります。」

貴社のショップは積層造形を本格採用しましたか？ 技術の最大の課題は何ですか？ コメント欄でお聞かせください。