転換点: 3D プリンティングと射出成形

Jan 16, 2024

サラ・ゲルケ | 2022 年 11 月 3 日

3D プリンティングは最初、SF を食卓にもたらした、半分スタートレック、半分庶民の技術として見出しを飾りました。 マスコミの報道は、この技術を「誰でも何でも作れる」プロセスであると位置づけました。 当然のことながら、ボタンを押すだけの精度でそのようなプロセスは存在しません。 主流の認識は薄れ、テクノロジーを否定しました。

しかし、今日の 3D プリンティングは、生産レベルの効率を達成できる、紛れもない産業用スイートです。 プロセスとともに、テクノロジーを参照する方法も成熟してきました。 ほとんどの専門的なラボでは、もはや「3D プリンティング」や元の「ラピッド プロトタイピング」という言葉は使われなくなりました。 現在、「積層造形」、またはもっとカジュアルに言えば AM という用語がよく使われており、これらの層ごとのプロセスを製造の領域に直接位置づけています。

約 10 年前には大げさな約束であったものが、今では成果物になりました。生産、規模、品質、検証、量が最終用途の現実になりました。

ある場合には。

ツールボックス内の他のツールと同様に、課題に対する解決策を適切に適用するにはニュアンスが重要です。 ハンマーしか持っていない場合、結局のところ、すべてが釘のように見えます。 今日のツールボックスは大幅に堅牢になり、情報に基づいた意思決定を行うためのオプションと手段が残されました。ハンマーが必要になるのはどんな時ですか? 他に何か必要になるのはいつですか?

さらに重要なのは、どのような場合に射出成形が必要になり、どのような場合に 3D プリントが必要になるのかということです。

実証済みの射出成形 (IM) は、数十年にわたりその地位を確立してきました。 1800 年代後半に特許を取得した IM は、数十年後、第二次世界大戦で低コスト、大量生産が求められるようになり、ブームになりました。 それ以来、減速したとは言い難い。 現代の製造環境ではほぼ遍在している IM は、おそらくご存知の悪魔として表現するのが最も適切でしょう。 欠点や制限はありますが、なじみがあり、一般的に信頼できます。 しかし、IM が新人の AM に取って代わられる可能性はあるでしょうか?

スケール、速度、均一性 - 射出成形は大量生産に適した条件を満たしています。 射出成形は膨大な種類の材料を確実に処理できるため、予測可能性と品質が得られます。

さらに、プロセスを使用すればするほど、より多くの部品が製造され、ソリューションの費用対効果が高まります。

IM のセットアップには巨額の先行投資がかかりますが、その使用が拡大するにつれて ROI は膨大になります。 実際、査読済みの研究によると、「射出成形は、複雑な形状の小型で精密なポリマー部品を大量生産する最良の方法である」ことが示されています。

射出成形はよく理解されており、頼りになる製造プロセスですが、当然ながら限界がないわけではありません。 IM インストールのセットアップには学習曲線と費用がかかり、実際に新しい設計を作成するまでの立ち上げ時間も同様です。

よく知られているかもしれませんが、IM の製造プロセスの設計は時間がかかり、多くの場合非直線的です。 IM は成形ベースの技術であるため、取り外し可能な金型に依存しているため、部品点数が少なく複雑な内部形状に合わせて設計する能力が抑制されます。 さらに、これらの金型の作成には、生産スケジュールに数週間から数か月かかる可能性があります。

全体として、IM は既知の品質の部品を確実に大量に生産できますが、それには時間がかかります。 より少量の最終用途製品の生産が必要な場合、射出成形では時間と成形コストが増加し、望ましい ROI と釣り合う可能性があります。

新しいソリューションが市場に投入され、その主張が証明されるにつれ、射出成形は生産における優位性の一部を失うことになりつつあります。

生産ブロックの新参者である 3D プリンティングは、エキサイティングでキュートな出会いになる可能性があります。新しい形状、複雑な形状、高価値/少量生産、すべてがますます厳格化する基準に基づいてレイヤーごとに構築されます。 19 世紀以来考案され、最新の特許は 1980 年代に遡りますが、3D プリンティングは製造を最初の層から再考します。 より多くの監視、標準、検証により、テクノロジーは実稼働世界にさらに移行し、ついには初期の誇張された約束を実現し始めています。

ポリマー、金属、ペースト、さらには生体材料まで対応できるため、3D プリンティングがまだ研究を始めていない材料分野はほとんどありません。 当然のことながら、研究室での研究と現実世界の応用の間には大きな溝がありますが、3D プリンティングによってその溝がうまく埋められ始めています。

3D プリントによる大量生産は、商業的に意味のある分野に進出しており、補聴器は初期に広く普及した最も重要な分野です。 消費者は、小売店で購入した 3D プリントされたミッドソールを備えた靴、またはスマートフォン アプリを通じて自分の足に合わせて作られたパーソナライズされたインソールを備えた靴を履いて歩いています。 義肢や矯正器具などの医療製品は、着用者向けに特別に製造することもできます。 伝統的な技術と組み合わせて製造される 3D プリントは、次世代の最終用途製品を作成するための包括的なプロセスを補完します。

本番環境における AM の利点は数多くあります。 製品全体が一度に生産されるため、複雑な内部構造を単一の完成品に直接組み込むことができ、部品点数や接続の弱点が削減されます。 格子構造や単に部品数の削減などによる軽量化は、オンス単位が重要な航空宇宙や自動車などの重量重視の業界では望ましいことです。 3D プリンターは生産を現地で行うことができるため、市場投入までの時間を短縮することも重要な考慮事項です。 重要なのは、3D プリンティングにより工具の必要性も回避され、多くの製造プロセスの時間のかかる段階が不要になることです。 より検証された材料も常に市場に投入されており、使い慣れた材料が新たな安定したものとなります。

さらに、射出成形で大規模に完成できるものを 3D プリントで開始するにつれて、橋梁の製造の価値がますます明らかになってきています。 新型コロナウイルス感染症のパンデミックの初期には特に重要で、個人用保護具 (PPE) や人工呼吸器に必要な部品が不足し、今すぐ必要な部品の需要が高かったため、医療専門家や患者に必要なものを装備するために 3D プリンティングが強化されました。より広範な需要に応えるために IM が強化される一方で、必要とされるものでした。 3D印刷により検査装置の有効性が向上する可能性があるため、一部はまだ使用されています。

AM は、最近の成長と成熟にもかかわらず、依然として初期段階にあるテクノロジーです。 DFM に精通した製品設計者は、積層造形のための設計である DfAM で獲得するための新しいスキルセットを持っているため、このテクノロジーを初めて採用するには大きな学習曲線が必要です。 検証が重要であり、トレーニングや投資の面で新規導入に費用がかかるリスク回避型のセクターは、完全な ROI を理解する前に導入を躊躇します。 多くの場合、導入は社内の 1 人の推進者に依存しており、AM を使用する部門は確立された企業内のスタートアップのようなものとして運営される傾向があります。

アルケマ、BASF、エボニック、ヘンケル、セイビックなどの大手企業が 3D プリントに足を踏み入れている中で、AM に導入されるすべての新素材にもかかわらず、ポートフォリオ全体は従来の製造で利用できるものと比較して指数関数的に小さくなります。

標準化は、より一層の役割を果たしてきている一方で、遅れも取っています。 防衛組織やその他の政府権限の組織では、検討中のプロセスの範囲が限られているため、多くの潜在的な導入者は 3D プリンティングを検討することさえできません。 より多くの基準が認識され、あらゆるレベルからより多くの支援が得られるまで、たとえばバイデン大統領の国内、地方、国際的にリーチを拡大する2022 AM Forwardイニシアチブなど、採用は理論的に可能であるよりも低いままとなるだろう。

非常に多くの点で、AM は依然として未知の量です。 材料の少なさ、採用の低下、トレーニングの少なさ、およびパーツごとの絶対速度の低下が組み合わさって、採用を困難にする公式になります。 一部の「大手企業」が AM への投資を維持し、競争力の「秘密のソース」としてベスト近くを利用しているという認識も、多くの AM サプライヤーが最大の成功事例を宣伝する能力を妨げています。

アディティブ マニュファクチャリングの最大の利点は、おそらく最大の欠点でもあります。スイート スポットは高価値の少量生産にあります。 これは、射出成形のスイート スポットによって相殺されますが、まさにその逆です。

では、IM から AM に切り替えるのが合理的になるのはどのような場合でしょうか?また、そうでないのはどのような場合でしょうか?

生産を AM に方向転換することが適切な場合の簡単なチェックリストには、次のカテゴリのいくつかに該当する部分が含まれます。

AM を導入する際に留意すべき最も重要なことは単純なことです。それは、できるからといって、必ずしもそうすべきであるとは限りません。 以下の場合には射出成形にこだわるのが最も合理的です。

あらゆる製造プロセスの最も強力な使用例は、本質的には簡単です。 意味のあるものを使用してください。 あらゆる課題に対応できる単一の解決策はありません。 各部品、各最終用途製品には独自の仕様があり、理想的には、個別にアプローチする必要があります。 時間をかけて正確なニーズを理解し、利用可能なソリューションを検討し、費用、時間、専門知識、最終製品の観点からアプリケーションにとって最も合理的なものを絞り込みます。

コストと数量の損益分岐点を確立して理解することは、多くの場合、どの製造プロセスをいつ採用するかの決定に役立ちます。 バッチサイズが 2 ～ 25、250 ～ 250,000 では考慮事項が明らかに異なります。

アディダスの 3D プリント ミッドソールなど、今日の大規模な用途のいくつかが強調しているように、最善の究極の解決策は、意味のあるテクノロジーを意味のある場所で使用することです。 多くの場合、これは二者択一の解決策ではなく、補完的な解決策です。 たとえば、3D プリント射出成形金型は、全体的なフィッティング ソリューションに望ましい特性の興味深い組み合わせを提供します。

著者について

Sarah Goehrke は、AM 専門の契約サービス会社 Additive Integrity の創設者です。 Women in 3D Printing では取締役および DEI 責任者を務めています。 また、Additive Manufacturing Coalition の顧問委員も務めています。 彼女は積層造形業界において、メッセージングに重点を置きながら、多様性、持続可能性、エコシステムの位置付けの進歩に焦点を当てています。 Goehrke 氏は 2014 年以来 3D プリンティング業界のリーダーであり、以前は Fabbaloo の編集長を務めていました。 3DPrint.com の編集長。 超高速 3D プリンティングのリーダーである Nexa3D の戦略的コミュニケーションおよびエコシステム担当シニア ディレクター。 彼女は、Additive Integrity を通じて、業界全体の 20 以上の企業と協力し、Forbes.com などの出版物に寄稿し、3 大陸にわたって基調講演を行ってきました。 彼女は、3D プリンティング業界における多様性、公平性、包括性の推進に深く積極的に情熱を注いでいます。 Goehrke は、マスキンガム大学で英語と演劇の学士号を取得し、コーネル大学で HR のダイバーシティとインクルージョンの証明書を取得しています。

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