アディティブ・マニュファクチャリングを理解する：技術とユースケース

積層造形（AM）は、3Dプリンティングとも呼ばれ、製品の製造方法を変えつつあります。従来の方法のように材料を切削したり成形したりするのではなく、AMではデジタル3Dモデルを使用して、オブジェクトを1層ずつ造形します。

航空宇宙やヘルスケアから自動車、消費財まで、3Dプリンティングと積層造形は、メーカーが製品の設計、製造、提供方法を見直すのに役立っています。この記事では、積層造形、その実際の用途、そして積層造形の発展におけるコンピュータビジョンの役割の拡大について詳しく見ていきます。早速始めましょう。

積層造形とは何ですか？#

積層造形は、3Dモデルの指示に従って材料を1層ずつ堆積させ、物理的なオブジェクトを作成するデジタル加工プロセスです。コンピューター支援設計（CAD）ファイルから開始し、モデルを薄い断面にスライスします。これらの断面または層が、3Dプリンターなどの装置を制御し、プラスチック、樹脂、金属などの材料を堆積させてオブジェクトを完成させます。

積層造形技術を利用すると、専用工具を使わずに、複雑な形状、軽量構造、カスタマイズ部品を容易に作成できます。また、迅速なプロトタイピングにも対応しているため、チームは設計をより速くテストして改良でき、オンデマンド生産も可能になります。

図1. 積層造形では部品を1層ずつ造形します。

積層造形と切削加工の比較#

積層造形による3Dプリンティングがなぜ変化をもたらしているのかを説明する前に、従来の切削加工と簡単に比較してみましょう。

切削加工では、ドリル、旋盤、フライス盤などの工具を使って、固体ブロックから材料を除去して部品を作成します。高い精度と大量生産が求められる業界で一般的に用いられる方法です。

積層造形は反対のアプローチを取ります。デジタル設計から部品を1層ずつ造形し、必要な箇所にのみ材料を追加します。そのため、より効率的で廃棄物を削減でき、従来の方法では実現が難しい複雑でカスタマイズされた設計が可能になります。

AMが製造業を変革している理由#

積層生産が急速に導入されている主な理由の1つは、製品開発を ускорし、廃棄物を削減できることです。デジタル設計から部品を直接造形することで、メーカーはコンセプトからプロトタイプまで迅速に進められます。

さらに、AMは材料を効率的に利用します。従来の製造プロセスと比較して、廃棄物を最大90%削減できます。それだけでなく、マスカスタマイゼーションを可能にし、金型や工具の変更に伴うコストや遅延なしで、単品や独自仕様の部品を容易に生産できます。

こうした利点により、製品をどのように、どこで製造するかが変わりつつあります。積層造形プロセスによって生産のローカル化が可能になり、中央集約型の工場や長いサプライチェーンへの依存を減らせます。これは、迅速な納期、高い精度、適応性が重要な航空宇宙、医療、自動車などの業界で特に大きな効果をもたらします。

主要な積層造形プロセス#

積層造形には複数のプロセスがあります。これは、3Dプリンティングに関連する一連の技術を指す総称です。具体的な方式ごとに、使用する材料と方法は異なります。

ここでは、一般的な積層造形技術の例を紹介します。

• 熱溶解積層法（FDM）: FDMは、最も一般的な積層造形方式の1つです。プラスチックフィラメントを加熱し、1層ずつ積み重ねて部品を形成します。安価で使いやすいため、迅速なプロトタイプに適していますが、高精細または高強度の用途には最適ではありません。
• 選択的レーザー焼結（SLS）: SLSは、レーザーを使って通常はナイロンなどの粉末材料を焼結し、固体部品を作成します。複雑な形状の強固で機能的なコンポーネントの製造に適しており、サポート構造も必要ありません。表面仕上げはやや粗くなる場合があるため、後処理が必要になることがよくあります。
• 光造形（SLA）: SLAは紫外線（UV）レーザーを使用して液体樹脂の層を硬化させ、高精細な部品を作成します。精度が高く滑らかな仕上げが得られることで知られており、医療、歯科、デザイン用途で広く利用されています。ただし、材料は脆いことが多く、展示用や軽い用途のアイテムに適しています。
• バインダージェッティング: バインダージェッティングでは、粉末のベッドに結合液を1層ずつ噴射して部品を形成します。高速でスケーラブルなプロセスであり、鋳造用金型や装飾品の製造によく使用されます。
• マテリアルジェッティング: この方式では、液体材料の液滴を表面に噴射し、UV光で硬化させます。滑らかな仕上げの高精細なフルカラー部品を作成できますが、材料は機能用途に十分な強度を備えていません。展示用モデルや医療用ガイドに適しています。
• 指向性エネルギー堆積（DED）: DEDでは、金属ワイヤーまたは粉末をレーザーなどの集束エネルギー源に供給し、塗布しながら材料を溶融します。大型金属部品の修復や機能追加に広く使用され、特に航空宇宙や重工業で利用されています。他の金属プリンティング方式より精度は低いものの、大規模な造形に適しています。

図2. 主要な積層造形プロセスの概要（出典）。

業界別に見るAMの主なユースケース#

積層造形の仕組みをより深く理解できたところで、さまざまな業界でイノベーションと効率化を促進するために活用されている例を見ていきましょう。

例えば、航空宇宙分野では、積層造形プロセスを使用して軽量な構造部品を製造し、強度と安全性を維持しながら燃料消費量の削減に貢献しています。同様に、ヘルスケアでは、積層生産によって患者一人ひとりに合わせたカスタムインプラント、義肢、手術用ガイドを作成でき、治療結果と快適性の両方を向上させられます。

3Dプリンティングによって強化されているもう1つの分野が自動車業界です。メーカーは積層造形技術を活用して、迅速なプロトタイピング、機能テスト、工具や交換部品の少量生産を行っています。一方、消費財では、さまざまなブランドが従来の金型を必要とせず、積層造形によってパーソナライズ製品や限定品を提供しています。

これまでに取り上げた例はすべて小規模なものでしたが、積層造形は建設や建築などの大規模な用途にも影響を与えています。この分野では、産業用積層造形装置を使い、コンクリートなどの材料で構造部品や、さらには住宅全体までを1層ずつ建設しています。こうした方法により、建設期間を大幅に短縮し、材料廃棄物を削減し、人件費を抑えられます。

図3. 建設に積層造形による3Dプリンティングを使用している例（出典）。

積層造形のイノベーションと今後のトレンド#

積層造形技術が進化し続ける中、新たなトレンドが可能性の限界を押し広げています。

興味深い例として、AIを活用したジェネレーティブデザインがあります。これは最適化された部品形状を生成します。また、積層造形と従来の方法を組み合わせるハイブリッド製造技術も、加工の精度と3Dプリンティングの創造的な自由度を両立できることから、普及が進んでいます。サステナビリティも注目が高まっている分野であり、エネルギー使用量の削減と廃棄物の最小化を目指した新しい材料やプロセスが開発されています。

同時に、積層造形はよりスマートになっています。積層造形技術がデジタルツイン、モノのインターネット（IoT）、スマートファクトリーと統合されることで、より接続性とインテリジェンスが高まっています。実際、AMはインダストリー4.0の主要な実現要素と見なされており、より適応性が高く、データドリブンで効率的な製造システムを支えています。

積層造形のメリット#

積層造形による3Dプリンティングがさまざまな業界にもたらす主なメリットを簡単に紹介します。

• 廃棄物とエネルギー使用量の削減: 必要な箇所にのみ材料を追加するため、積層造形プロセスではスクラップを大幅に削減でき、従来の方法よりエネルギー使用量が少なくなることもよくあります。
• 軽量化の可能性: 3Dプリンティングによって複雑な内部構造を作成できるため、強度を損なわずに部品の重量を削減できます。
• 部品の統合: 複雑なアセンブリを1つの部品としてプリントできるため、複数のコンポーネントやファスナーの必要性、組み立て時間を削減できます。

積層造形における課題#

3Dプリンティングには多くのメリットがありますが、考慮すべき制約もいくつかあります。積層生産における主な課題を紹介します。

• 利用可能な材料の制限: すべての材料があらゆる3Dプリンティングプロセスに対応しているわけではないため、特定の用途が制限されることがあります。
• 速度と規模のトレードオフ: 3Dプリンティングはプロトタイプや小ロット生産に適していますが、大規模生産では時間とコストがかかる場合があります。
• 後処理の要件: 多くの部品では、洗浄、硬化、仕上げなどの追加工程が必要となり、時間、労力、コストが増加します。

コンピュータビジョンによる積層造形の強化#

コンピュータビジョンのような最先端技術は、3Dプリンティングの課題の一部解決に役立っています。コンピュータビジョンは、機械が画像を理解して分析できるようにするAIの一分野です。ビジョンAIによって、メーカーは造形をリアルタイムで監視し、欠陥を早期に検出し、全体的な精度を向上させられます。

製造業におけるAIと組み合わせることで、コンピュータビジョンは予知保全とプロセス自動化にも対応します。例えば、欠陥や材料の不均一性が検出された場合にプリントジョブを自動的に一時停止し、廃棄物を削減して造形の失敗を防止できます。

図4. コンピュータビジョンを使用して3Dプリントの層をリアルタイムで分析し、欠陥を検出しています（出典）。

主なポイント#

世界中の業界が積層造形技術を導入し、より複雑な部品を、より短時間で、より少ない廃棄物と大きな設計自由度で製造しています。従来の製造方法と比較して、こうした積層造形プロセスは、よりスマートで持続可能なソリューションを提供します。3Dプリンティングと積層造形の可能性を探るメーカーが増えるにつれ、生産の未来はより柔軟で効率的、かつ革新的になっています。

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