3Dプリンターの基礎知識。製造業にどのような変化をもたらすのか

 2020.04.28  デジタルトランスフォーメーションチャンネル

製造業において、効率化やコストダウンだけではなく、製造プロセスをも変化させようとしているのが「3Dプリンター」です。ここでは3Dプリンターの仕組みや造形方式の種類に加え、製造業への影響についても説明していきます。

3Dプリンターの基礎知識。製造業にどのような変化をもたらすのか

3Dプリンターとは?

近年、製造業界では「3Dプリンター」に視線が集まっています。

この業界で何かを作り出すときには、試作品による試行錯誤が欠かせません。試作品は設計や機能、意匠などの確認をするために作られます。そのほかにも、展示会などのイベントや営業の際には試作品を用いることも多いです。3Dプリンターはこのようなプロトタイピングに変革をもたらすものとして期待されつつ誕生しました。

これまではプリンターと言えば、インクジェット式やレーザー式の違いはあれども、図形や文字を紙などの平面にプリントアウトするためのものでした。一方、3Dプリンターは、3つの次元(Dimension)=縦・横・奥行を表現しながら、コピー元と同じ立体物を造形するものです。

造形は3D CADや3D CGなどの3次元データに基づいて行われます。基本的には2次元の断面形状を幾層にも積み重ねて3次元の立体物を作る積層方式が採用されています。

造形方式によりますが、プラスチックやゴムなどの樹脂素材からチタン・銅といった金属素材まで様々な素材を扱えます。このため、試作品やモックアップの作成のみならず、金型・治具・最終品の製造など幅広い用途に対応できるのです。

3Dプリンターの主な造形方式と活用方法

3Dプリンターで立体物を造形する技法は様々です。それぞれの技法別に特徴と活用方法を説明します。

粉末焼結積層造形方式(SLS法)

粉末焼結積層造形方式は、ステージ上にある粉末にレーザー光線を照射して焼結する方法です。SLS(Selective Laser Sintering)法とも呼ばれます。できあがった造形物は、表面に粉末特有のざらざらした質感が残るものの、優れた耐久性を持ちます。そのため、試作品や大量生産の前段階のテスト製造に用いられます。

この造形方式の特長は何といっても、金属素材を使用して造形できる点にあります。複雑な形も難なく作れるので、表面の質感が問題にならないようなら、最終品の製造にも利用できるでしょう。

2014年2月に特許が切れた造形法のため、現在ではこの方式の廉価版が続々登場しています。

光造形方式(STL法)

STL法(Stereo lithography)法とも呼ばれる方法で、日本人の手によって編み出された、3Dプリンターのなかではもっとも古くから用いられる造形法です。光硬化性樹脂に紫外線を照射して立体物を出力します。

新規CTA
IFS IoT ビジネス・コネクター

精度が高く微細な形状でも造形できるため、形が複雑な立体物を造形する場合に活用されています。樹脂は液状のため、粉末焼結積層造形方式にあった表面のざらざら感もありません。大きな模型が作れるため、自動車のモックアップを実寸で出力する際などに適しています。ただし、日光が当たる場所に置くと硬化が進むので、かえってもろくなってしまいます。そのため、長期使用には向かない造形方式です。

インクジェット方式

従来からあったインクジェットプリンターの原理を応用した造形方式です。光硬化性樹脂をインクジェットヘッドから噴射して紫外線を照射しながら積層していきます。

光造形方式同様、液体樹脂を使用しているので、非常に高精度な模型を出力できるうえ、インクジェット特有の高解像な試作品が実現します。

熱溶解積層方式(FDM法)

FDM(Fused Deposition Modeling)法とも呼ばれる熱溶解積層方式では、ABS樹脂などの固形の熱可塑性樹脂を溶かし、細いノズルの先端から樹脂を絞り出して、層を重ねていきます。

溶かした素材を利用するため、断層部分が目立ち、表面の滑らかさは期待できません。けれども、素材が安価なので、コストパフォーマンスは高くなります。2009年に特許が切れていることもあり、一般消費者向けの安価な3Dプリンターで主流の方式です。

粉末接着方式

粉末と接着剤を交互に吹き付けて層を積み上げることで立体を造形します。

石膏粉末を使用しているため非常に壊れやすいですが、仕上げに硬化剤を塗布すれば、ある程度の強度を保てます。接着剤に着色インクを混ぜれば、発色させることも可能です。そのため、フルカラーの建築モデルやフィギュアなどの造形にうってつけでしょう。

3Dプリンター導入で得られるメリットとは

3Dプリンターを導入するメリットは、コストカットや工数の削減だけではなく、製品の品質向上や在庫管理にも及びます。

コストの削減

製造業の量産プロセスにおいて、量産直前の金型の作り直しは、コストの面からも必ず避けたいトラブルのひとつです。

3Dプリンターを導入して、最終品と同等の試作品を作って確認することで、図面や設計図からは分からなかった問題点や課題に気がつくことができます。これによって、本来不要な金型の再作成コストを減らせます。

また、最終品の製造においても、複雑な形状でも再現できるという特性を活かし、パーツや部品点数の削減が可能です。例えば、ジェットエンジン用の燃料ノズルなど複雑な製品では、従来は20種類の金属パーツを組み合わせる必要がありました。3Dプリンターによる製造ではこの部分をひとつの部品として造形できるようになります。金属パーツ20個分の製造コストが削減されるだけでなく、軽量化も叶えられるのです。

品質の向上

部品同士の組み付けや分解手順を図面や仕様書だけから考えるのは、非常に難易度が高くミスの出やすい作業です。3Dプリンターで造形した立体物を使って、組み付けや分解手順を確認すれば、気が付きにくい問題点も洗い出すことができます。結果的に、製品の品質向上に繋がるでしょう。

また、品質が一定しない原因のひとつに手作業でパーツを組み立てることが挙げられます。3Dプリンターを製造の工程に組み込むことで、人為的なミスや誤差が抑えられ、製品の品質が安定するでしょう。

特に、パーツや部品点数が多い製品の組み立てでは、作業を補助するための治具も多いです。以前は設計変更が生じたとしても、治具の再作成まで手が回らずに、古い治具をそのまま使わざるを得ないという状況が多発していました。3Dプリンターを活用すれば、治具も簡単に手直しして作ることができます。

開発期間の短縮

従来、試作品を作成するためには外注を行い、何週間も仕上がりを待つ必要がありました。金型の作成も必要ですが、金型の製造プロセスには何段階も工数があり、非常に時間がかかるものです。3Dプリンターがあれば、たとえ企画や設計が煮詰まっていない段階であっても、気軽に試作品を作成できます。試作品を作成するための時間も大幅にカットされ、全体の開発期間の短縮化に繋がるのです。

また、手軽にデータを改良して試作品を作り直せるため、試作品に不具合が見つかった場合でも、最小限の追加工数で試作品の再作成ができます。

在庫管理が容易に

これまでの製造現場では、各パーツが故障していた場合に備えて、スペアパーツを用意しておく必要がありました。3Dプリンターを使えば、3Dデータからいつでもスペアパーツを作り出せるため、スペアパーツにかかっていた在庫管理が不要になります。各パーツを改良する場合でも、3Dデータを変更するだけなので、改良前のパーツの在庫数を気にすることなく必要なときに改良を施せます。商品販売後のメンテナンスにおいても同様で、3Dプリンターの導入により、パーツをモノではなくデータで管理できるようになります。パーツの保管スペースの削減に加え、世界各国の生産拠点間でデータを共有して各国で造形すれば、国をまたいだ輸送も不要です。

3Dプリンターが製造業を変えるか

量産前の試作品や金型製造への活用される3Dプリンターは、さらに製造工程やメンテナンスにおいても用いられるようになりました。3Dプリンターの導入が、経営戦略のひとつになりつつあるのです。

例えば、土木・建築といった大型建造物のモックアップを作る場合、細部まで再現するのはコスト的にも時間的にも困難でした。樹脂型3Dプリンターを使えば、詳細なモックアップを低予算かつ短時間で作成できます。細かく再現できたモックアップでプレゼンテーションを行えば、商談先との意思疎通が効率よく行えるため、商談のスピードアップにも繋がるでしょう。

また、家電メーカー等の場合、試作品製造に費やすコストや時間は多くなる傾向にありますが、3Dプリンターの導入で得られるコスト減とリードタイムの短縮効果は絶大です。これまで、3Dプリンターによる試作品の製造は、単純な形状の造形がほとんどでしたが、現在では精度の向上や、使える素材の多様化により、複雑の形の造形物まで出力できるようになりました。3Dプリンターは製造プロセス全体を変化させようとしているのです。

まとめ

製造業において3Dプリンターはモックアップや試作品の作成、金型・治具・最終品製造など幅広い用途に活用が進んでおり、現在では、製造プロセス全体を変化させつつあります。造形方式により仕上がりや適した素材が異なるため、導入を検討する際には、自社の製品やコストをよく精査して計画を立てることが大切です。

Factory of the FutureAIで自動化する、製造業の新しい「ものつぐり」

新規CTA
IFS IoT ビジネス・コネクター

RELATED POST関連記事


RECENT POST「製造業」の最新記事


3Dプリンターの基礎知識。製造業にどのような変化をもたらすのか
事例:ノルウェー地下鉄が車両稼働率を向上
ニューノーマル時代の流通小売り現場を支える最適解

RANKING人気資料ランキング

RECENT POST 最新記事

ブログ無料購読

RANKING人気記事ランキング