積層造形と従来の製造
はじめに
アディティブ・マニュファクチャリング（AM）、すなわち3Dプリンティングは、業界を問わず従来の生産方法に革命をもたらす画期的な技術として登場した。層を重ねるごとに材料を追加することで、複雑でカスタマイズされたオブジェクトを作成するその能力は、航空宇宙、自動車、ヘルスケア、消費財などの分野で、製品の設計、プロトタイプ作成、製造の方法を再構築しています。
この記事では、従来の製造方法と比較しながら、この革新的な技術に共通する特徴と利点を探っていく。理解を深めて、あなたのビジネスや研究に最適なAM材料を手に入れてほしい。
積層造形とは？
アディティブ・マニュファクチャリング（Additive Manufacturing）とは、レイヤー（層）ごとの構築プロセスを通じて3次元物体を製造する技術の集合体である。切削、穴あけ、機械加工などの減法的プロセスを伴う従来の製造方法とは異なり、AMは物体を1層ずつ追加していく加法的プロセスです。
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図1.3Dプリンティング
AMプロセスの典型的な手順は以下のとおりである：
1.設計：AMの最初のステップは、コンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して対象物のデジタル3Dモデルを作成することです。このデジタルモデルは、物理的な物体の設計図となる。
2.準備：デジタルモデルを薄い断面層にスライスすることで、印刷の準備をする。このステップで層の厚さが決定され、AMマシンに物体を層ごとに構築する方法が指示される。
3.印刷プロセス：印刷工程は、AMマシンが対象物を層ごとに構築し始めるときに開始される。特定のAM技術によって、正確なプロセスが決定される。例えば、溶融積層造形（FDM）では、熱可塑性材料のフィラメントが加熱され、造形プラットフォーム上に押し出される。
4.後処理：これには、支持構造の除去、洗浄、研磨、所望の最終特性を得るための表面処理などが含まれる。
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図2.AMプロセス
積層造形と従来の製造
技術の発展に伴い、積層造形は勢いを増し続けており、従来の製造方法に比べていくつかの利点があります。
- 複雑な形状：AMでは、複雑な内部構造や有機的な形状など、従来の方法では困難または不可能な複雑なパターンを作成できます。
- カスタマイズ：従来の製造方法は大量生産に向いているのに対し、AMは製品のカスタマイズやパーソナライズが容易です。AMを使用することで、追加の金型費用や生産遅延を発生させることなく、各アイテムを特定の要件に合わせることができる。
- 廃棄物の削減：AMプロセスでは、材料を選択的に追加し、対象物を構築するのに必要なものだけを使用するため、廃棄物の発生は最小限に抑えられる。これにより、材料費と環境への影響も削減できます。
- 設備の簡素化：従来の製造プロセスでは、複数の工程が含まれることが多く、それぞれが異なる機械を使用します。しかし、積層造形では、1つの装置が造形のあらゆる側面を処理する。例えば、金属加工では、旋盤加工、フライス加工、穴あけ加工を組み合わせて、完成した金属部品を製造することがよくあります。
- オンデマンド生産：AMは分散型のオンデマンド生産を可能にし、大量の在庫の必要性を減らし、地域密着型の製造を可能にする。起業や製品開発の障壁が低くなります。3Dプリンターの助けを借りて、企業は工場全体に投資する代わりに、1台の装置で製品のプロトタイプを作成し、生産することができます。
積層造形の応用
こうした利点から、積層造形は航空宇宙、自動車、ヘルスケア、消費者製品、建築など、さまざまな産業で応用されている。以下のような特徴により、製造業に変革をもたらしつつある。
表1.積層造形と従来の製造の比較
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積層造形 |
従来の製造 |
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形状 |
制限なし、 複雑な内部構造や有機的な形状 |
制限 |
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カスタマイズ |
特定の要件に合わせる |
制限事項 |
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廃棄物の削減 |
廃棄物を最小限に抑えます、 コストと環境への影響が少ない、 |
副産物および廃棄物 |
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設備要件 |
デスクトップマシンは、適度なスペースのある作業場環境を必要とする。 |
産業用システムには広いスペースが必要。 |
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目標 |
マス・カスタマイゼーション |
大量生産 |
結論
一言で言えば、付加製造と従来の製造の比較は、これらのアプローチが独自の利点と考慮点を提供するダイナミックな状況を明らかにする。AMは、複雑な形状、カスタマイズ機能、ラピッドプロトタイピング、材料の効率性など、破壊的なアプローチを導入している。一方、伝統的な製造方法は大量生産の基盤として長い間使われてきた。
最終的に、AMと従来の製造のどちらを選択するかは、生産量、設計の複雑さ、材料要件、時間的制約などの要因によって決まる。重要なのは、それぞれのアプローチのニュアンスを理解し、付加製造の変革力を受け入れることにある。AM材料に関する詳しい情報は、スタンフォード・アドバンスド・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
参考文献
[1] Thakur, Vishal & Singh, Roopkaran & Kumar, Ranvijay & Gehlot, Anita.(2022).4D printing of the thermoresponsive materials: a state-of-the-art review and prospective applications.International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM).1-20.10.1007/s12008-022-01018-5.
