3D プリンティングがどのように Industry4.0 を促進するか

3D プリントがどのように Industry4.0 を推進するか

編集者注:この記事は、AspenCore の特別レポート「2030 年の工場を実現する」の一部です。

機能するスマートフォン全体をデスクトップ上に印刷することを想像してください。まだ遠い将来の話ではありますが、積層造形 (AM) は、コネクタからプリント基板に至る電子コンポーネントの製造方法をすでに再構築しています。

Hubs の最近のレポートによると、プリンター、材料、ソフトウェアの急速な進歩により、3DP はプロトタイピングから信頼性の高い最終用途の生産に移行しました。 「私たちは現在、最終用途部品が一般的になる転換点にいます」と、1 億 100 万ドルの Markforged の広報担当者である Sam Manning 氏は言います。

産業への影響

3DP により、海外パートナーの必要性がなくなり、知的財産リスクが軽減され、必要な量を正確にオンサイトで生産できるようになります。この「強力なジャストインタイム」アプローチにより、最小注文数量、配送リードタイム、在庫コストが削減されます。

297 億 2000 万ドルの EMS プロバイダーである Flex は、3DP を Industry4.0 戦略の柱と位置づけています。迅速なデジタル プロトタイプは、設計チームと製造チームの間のギャップを埋め、設計が変更されるたびに即座に更新されるライブ デジタル リポジトリを作成します。

プロセスの自動化 (スライサーの最適化、スマートな部品の向き、バッチ レイアウト、後処理) により、印刷速度、品質、一貫性が向上します。スライスにより、3D モデルが、プリンターが従う機械可読な命令に変換されます。

「工場は部品を何年も保管する必要がなくなりました」とマニング氏は説明します。 「パーツが必要な場合は、オンデマンドで印刷できます。」

3DP の新機能

3DP エコシステムには現在、SLM Solutions の米国空軍向け 1.5 メートル Z 軸レーザーパウダーベッドフュージョン システムや、大型構造物や修理にロボット溶接アームを使用する Caracol のニアネットシェイプ金属ワイヤー アーク システムなどの大型金属 AM が含まれています。

これまでに印刷された最大の工具は、ボーイング社が加工中に 777X 翼外板を保持するために使用したトリム工具です。 3DP マテリアルは、エンジニアリング熱可塑性プラスチック、樹脂、複合材料、ポリマー粉末、金属粉末に及び、最近の非平面印刷における画期的な進歩により、オーバーハングのサポートが不要になりました。

マニング氏は、「当社は単にプリンターを製造しているのではなく、素材とソフトウェアを開発しています。統合された AI 主導のエコシステムにより、導入が加速されます。」

使用例

3DP は、プロトタイピング、ツール、マスカスタマイゼーションに優れています。ラピッドプロトタイプにより、デザイナーは本格的な生産前に形状、適合性、機能を検証できます。治具、治具、組み立て補助具などのツールをオンデマンドで印刷できるため、機械のダウンタイムが削減され、機敏性が向上します。たとえばトヨタは、AM ツールの主な利点として、リードタイムの短縮と設計の自由度を挙げています。

少量生産が経済的に実行可能になります。企業は、大量の在庫を持たずに限定版の商品やスペアパーツを生産できます。 HP の 3D プリンターは、トヨタがオンデマンドで交換部品を印刷するために使用しています。

CAD ファイルを個別の顧客に合わせてカスタマイズする場合、大量のカスタマイズが可能です。 Formify は 3DP を使用して、手のスキャンに基づいて人間工学に基づいたマウスを製造します。

連続生産も進んでいます。Protolabs は 150 台の 3D プリンターを運用し、年間最大 100 万個の部品を納品しています。これは、完全に自動化された照明なしのワークフローによって実現された偉業です。

持続可能性

メーカーは、環境への影響を軽減しながらコストを削減するというプレッシャーに直面しています。 3DP は、CNC 加工などのサブトラクティブ方式よりも材料廃棄物が少なく、未使用の粉末をリサイクルできます。また、Athena Manufacturing の消灯システムのようなロボットが継続的に部品の準備と印刷を行うため、消費電力も少なくなります。

AI を活用した設計ツールは、印刷の失敗を最小限に抑え、CAD モデルを最適化し、無駄をさらに削減します。現地生産により複雑な物流が不要になり、二酸化炭素排出量が削減されます。 Hubs 氏によると、コンポーネントを 20% 軽量化すると、航空機の燃料効率が 10% 向上する可能性があります。

航空機や自動車などの長寿命資産は、オンデマンドのスペアパーツの恩恵を受け、運用寿命を延ばします。

市場の見通し

2022 年には、システム、ソフトウェア、材料、サービスを含む 3DP 市場は 170 億ドルに達し、年間 13% で成長しました。 Hubs は 17% の CAGR で、2023 年には 199 億ドルに達すると予測しています。

「3DP はエンジニアにとって強力なツールです」とマニング氏は言います。 「従来の製造に取って代わるものではありませんが、設計ツールキットの標準的な部分になりつつあります。」

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