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 printingとしても知られ、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断または成形する代わりに、AMはデジタル3Dモデルを使用してレイヤーごとにオブジェクトを構築します。

航空宇宙やヘルスケアから自動車、消費財に至るまで、3Dプリンティングとアディティブ・マニュファクチャリングは、メーカーが製品の設計、製造、供給方法を再考する一助となっています。本記事では、アディティブ・マニュファクチャリングとその実用的な応用例、そしてこの技術を推進する上でのコンピュータビジョンの役割について詳しく解説します。それでは始めましょう！

アディティブ・マニュファクチャリングとは何か？#

3D modelからの指示に従い、材料をレイヤーごとに堆積させて物理的オブジェクトを作成するために使用されるデジタル製造プロセスが積層造形です。コンピュータ支援設計（CAD）ファイルから始まり、モデルは薄い断面にスライスされます。これらの断面またはレイヤーが3Dプリンターなどの機械をガイドし、オブジェクトが完成するまでプラスチック、樹脂、金属などの材料を堆積させます。

アディティブ・マニュファクチャリング技術を使用することで、専用の工具を必要とせずに、複雑な形状、軽量な構造、カスタマイズされた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を支援し、チームによる設計のテストと改良を加速させるほか、オンデマンド生産も可能にします。

図1：アディティブ・マニュファクチャリングでは部品が層ごとに構築されます。

アディティブ・マニュファクチャリングとサブトラクティブ・マニュファクチャリング（除去加工）の比較#

なぜアディティブ（積層）型3Dプリンティングが重要なのかを掘り下げる前に、従来のサブトラクティブ（除去）型マニュファクチャリングと簡単に比較してみましょう。

サブトラクティブ・マニュファクチャリングは、ドリル、旋盤、フライス盤などの工具を使用して固体のブロックから材料を取り除くことで部品を作成します。これは、高い精度と大規模な生産量を必要とする産業では一般的な手法です。

アディティブ・マニュファクチャリングはその逆のアプローチをとります。デジタル設計図に基づき、材料を必要な場所にのみ追加して部品を層状に構築します。これにより効率性が向上し、無駄が削減され、従来の手法では困難だった複雑かつカスタマイズされた設計が可能になります。

なぜAMが製造業を変革しているのか#

積層型生産が急速に採用されている主な理由の一つは、製品開発をスピードアップし、無駄を削減できるという点にあります。デジタル設計から直接部品を構築することで、メーカーはコンセプトからプロトタイプへの移行を迅速に行うことができます。

また、AMは効率的な材料利用が可能であり、従来の製造プロセスと比較して廃棄物を最大90%削減します。その上、マスカスタマイゼーションを可能にし、再ツーリングのコストや遅延なしに、ワンオフまたはユニークな部品の生産を容易にします。

これらの利点により、製品がどのように、そしてどこで作られるかに変化が生じています。積層造形プロセスにより生産の地域密着化が可能になり、中央集権的な工場や長いsupply chainsへの依存が軽減されます。これは、迅速な納期、精度、適応性が不可欠な航空宇宙、医療、自動車などの産業で特に大きな影響を与えます。

主要なアディティブ・マニュファクチャリングプロセス#

アディティブ・マニュファクチャリングには複数のプロセスが含まれます。これは、3Dプリンティングに関連する一連の技術の総称です。それぞれの特定のタイプで、使用する材料や方法が異なります。

さまざまなアディティブ・マニュファクチャリング技術の一般的な例をいくつか紹介します：

• 熱溶解積層法（FDM）： FDMは最も一般的なアディティブ型3Dプリンティング手法の一つです。プラスチックフィラメントを加熱して層状に押し出し、部品を形成します。手頃な価格で使いやすく、迅速なプロトタイプ作成には理想的ですが、高精細や高強度が求められる用途には最適な選択肢とは言えません。
• 選択的レーザー焼結法（SLS）： SLSはレーザーを使用して、通常はナイロンの粉末材料を焼結し、固体部品にします。複雑な形状を持つ強力で機能的なコンポーネントの製造に優れており、サポート構造を必要としません。表面仕上げが少し粗くなることがあるため、後処理が必要になることがよくあります。
• 光造形法（SLA）： SLAは紫外線（UV）レーザーを利用して、液体樹脂を層状に硬化させ、非常に詳細な部品を作成します。高精度で滑らかな仕上がりになることで知られており、医療、歯科、設計の用途で人気があります。ただし、材料は脆いことが多く、展示用や軽度の使用に向いています。
• バインダージェット法： バインダージェット法は、粉末のベッドの上に結合剤（バインダー）を噴霧し、層ごとに部品を形成します。高速で拡張性の高いプロセスであり、鋳型や装飾品の作成によく使用されます。
• マテリアルジェット法： この手法では、液体材料を表面に噴射し、UV光で硬化させます。非常に詳細なフルカラーの部品を滑らかな仕上げで生産できますが、材料が機能的な用途には十分な強度を持たない場合があります。展示用モデルや医療用ガイドに最適です。
• 指向性エネルギー堆積法（DED）： DEDは、金属ワイヤーや粉末をレーザーなどの集束エネルギー源に供給し、適用しながら材料を溶かす仕組みです。航空宇宙や重工業において、大きな金属部品の修理や機能追加によく使用されます。他の金属プリント手法よりも精度は劣りますが、大規模な作業には非常に適しています。

図 2. 主な積層造形プロセスの概要。(Source)

産業別・アディティブ・マニュファクチャリングの大きな影響を与えるユースケース#

アディティブ・マニュファクチャリングの仕組みを理解したところで、イノベーションと効率化を促進するために、様々な産業でどのように使用されているか、いくつかの例を探ってみましょう。

たとえば、aerospace sector,では、強度と安全性を維持しながら燃料消費量を削減する軽量構造部品を製造するために積層造形プロセスが使用されています。同様に、医療分野では、積層製造により、個々の患者に合わせて調整されたカスタムインプラント、義肢、手術用ガイドの作成が可能になり、結果と快適性の両方が向上します。

3Dプリンティングによって強化されているもう一つの分野は自動車産業です。メーカーはアディティブ・マニュファクチャリング技術を、迅速なプロトタイピング、機能テスト、工具や交換部品の小ロット生産に使用しています。一方、消費財分野でも様々なブランドが、従来の金型を必要とせずに、パーソナライズされた製品や限定商品を展開するために積層型3Dプリンティングを活用しています。

これまで議論してきた例はすべて小規模なものですが、積層造形はconstructionや建築などの大規模なアプリケーションでも影響を与えています。この分野では、コンクリートなどの材料を使用して、構造部品、さらには家屋全体をレイヤーごとに構築するために産業用積層造形機が使用されています。これらのアプローチにより、建設時間を大幅に短縮し、材料の無駄を減らし、人件費を下げることができます。

図 3. 建設で利用されている積層3Dプリンティングの例。(Source)

アディティブ・マニュファクチャリングのイノベーションと将来のトレンド#

アディティブ・マニュファクチャリング技術が進化し続ける中、新しいトレンドが可能性の境界を押し広げています。

興味深い例として、最適化された部品ジオメトリを作成するAIを活用したジェネレーティブデザインの使用があります。また、積層法と従来法を組み合わせたハイブリッド製造技術は、機械加工の精度と3Dプリンティングの創造的自由を融合させるため、勢いを増しています。Sustainabilityも別の重要な焦点であり、エネルギー使用量の削減と無駄の最小化を目的とした新しい材料やプロセスが登場しています。

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）、smart factoriesと統合されるにつれて、より接続され、インテリジェントになっています。実際、AMはインダストリー4.0の重要な推進力と見なされており、より適応性が高く、データ駆動型で効率的な製造システムをサポートしています。

アディティブ・マニュファクチャリングの利点#

業界全体にわたって積層型3Dプリンティングが提供する主な利点を簡単に紹介します：

• 廃棄物とエネルギー使用の削減：必要な場所にのみ材料を追加することで、アディティブ・マニュファクチャリングプロセスはスクラップ（端材）を大幅に削減し、従来の手法よりもエネルギー消費が少ないことが一般的です。
• 軽量化の可能性：3Dプリンティングは、強度を犠牲にすることなく部品重量を削減できる、複雑な内部構造を可能にします。
• 部品の統合：複雑なアセンブリを単一部品としてプリントできるため、複数のコンポーネント、締結具、および組み立て時間を削減できます。

アディティブ・マニュファクチャリングにおける課題#

3Dプリンティングには多くの利点がある一方で、考慮すべきいくつかの制限もあります。以下は積層型生産の主な課題です：

• 利用可能な材料の制限：すべての材料がすべての3Dプリンティングプロセスに対応しているわけではなく、用途が限定される場合があります。
• 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は最適ですが、大規模生産では時間がかかり、コストが高くなる可能性があります。
• 後処理の要件：多くの部品には、洗浄、硬化、仕上げなどの追加工程が必要であり、これが時間、労働力、コストを増加させます。

コンピュータビジョンによるアディティブ・マニュファクチャリングの強化#

機械が画像を理解して分析できるようにするAIの分野であるcomputer visionなどの最先端技術は、3Dプリンティングの課題の一部を解決するのに役立っています。ビジョンAIにより、メーカーはリアルタイムでプリントを監視し、欠陥を早期に検出し、全体的な精度を向上させることができます。

AI in manufacturing,と組み合わせると、コンピュータービジョンは予知保全やプロセス自動化もサポートします。たとえば、欠陥や材料の不整合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、無駄を減らして失敗したビルドを回避できます。

図 4. コンピュータービジョンを使用して3Dプリントのレイヤーの欠陥をリアルタイムで分析する様子。(Source)

重要なポイント#

世界中の産業がアディティブ・マニュファクチャリング技術を採用し、より速く、廃棄物が少なく、設計の自由度が高い複雑な部品を生産しています。従来の製造と比較して、これらのアディティブ・マニュファクチャリングプロセスは、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。より多くのメーカーが3Dプリンティングとアディティブ・マニュファクチャリングで何ができるかを模索するにつれ、生産の未来はより柔軟で効率的、そして革新的なものになりつつあります。

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