概要
自動車メーカーは、製品開発の加速、金型製作リードタイムの短縮、少量生産の支援、およびオンデマンドでの交換部品の製造を目的として、積層造形技術を活用しています。本ガイドでは、自動車業界における3Dプリンティングを形作る主な用途、メリット、課題、材料、技術について解説するとともに、メーカー各社が積層造形技術を実際にどのように活用しているか、実例を交えて紹介します。
自動車分野における積層造形（AM）とは、デジタル3Dモデルに基づいて材料を層状に積み重ねることで、自動車部品を製造するプロセスです。これにより、ラピッドプロトタイピングや複雑な形状の部品製造が可能となり、従来の製造方法では実現できなかった軽量部品の製造も実現します。この技術は、材料の無駄を削減し、サプライチェーンを短縮します。
自動車業界において、AMはコンセプトモデル、機能性プロトタイプ、量産用金型、製造補助具、交換用部品、最終用途部品など、車両のライフサイクルのあらゆる段階で活用されています。使用する材料は、製造対象に応じて、エンジニアリング熱可塑性プラスチック、フォトポリマー、複合材料、金属など、多岐にわたります。
従来の製造では、通常、何かを生産する前に金型やダイス、あるいは機械加工が必要となります。一方、積層造形（AM）は、その工程を省略し、デジタルファイルから直接造形を行います。そのため、設計が直前に変更された場合や、金型に先行投資することなくオンデマンドで部品が必要な場合に、その真価を発揮します。
自動車メーカーにとっての魅力は、結局のところ「時間」にある。設計の検証をプロセスの早い段階で実施できるようになる。かつては数週間かかっていた金型の製作が、数日で完了するようになった。金型や鋳造品、あるいはサプライヤーのリードタイムを待つことなく、必要に応じて部品を生産できるようになった。
ゼネラル・モーターズ（GM）は、積層造形による代替品に切り替えることで、組立ライン用金型のリードタイムを9週間から2週間に短縮しました。カルサンは、生産を社内で行うようにしただけで、特定の部品コストを最大80％削減しました。トヨタ、スバル、NASCARも、金型だけでなく、開発用部品や組立補助具の製造においても、積層造形（AM）を活用しています。
したがって、新製品の市場投入を加速させること、金型コストの削減、少量生産の支援、あるいは俊敏性の向上など、どのような目標であっても、積層造形が役立ちます。
多くの人々は積層造形をラピッドプロトタイピングと結びつけがちですが、自動車メーカーは現在、製品のライフサイクル全体を通じてこれを活用しています。設計の検証に使用されるのと同じ3Dプリンターで、量産用金型、最終製品用部品、交換用部品も製造可能です。
デジタルファイルから直接作業を行うことで、リードタイムが短縮されるだけでなく、設計変更の遅れへの対応に伴う摩擦も軽減されます。また、在庫に対する考え方も変わります。たまにしか必要とされない部品を倉庫に保管する代わりに、注文が入った時点で印刷するようになるのです。
積層造形は、製品開発の加速、製造効率の向上、生産支援を目的として、自動車業界全体で活用されています。最も一般的な用途には、以下のようなものがあります：
ラピッドプロトタイピングは、依然として自動車業界における積層造形の最も一般的な用途です。エンジニアはCADファイルから直接、コンセプトモデル、設計プロトタイプ、機能部品を造形します。これにより、金型や外部ベンダーを待つことなく、設計の評価、変更、再テストが可能になります。
プロトタイプは、「適合するか」「見た目が適切か」「想定通りの性能を発揮するか」といった疑問に答えるために存在します。AMなら、こうした答えを数週間ではなく数日で得ることができるため、エンジニアはプロセスの早い段階で問題を発見し、判断を下すことができます。
軽量化は通常、優先順位の高い課題です。車両が軽くなれば、燃費が向上し、EVの航続距離が伸び、全体的な性能も向上します。
AM（アディティブ・マニュファクチャリング）は、エンジニアにその実現に向けたいくつかの手法を提供します。部品の形状を最適化したり、不要な材料を除去したり、複数の部品を1つのプリント部品に統合したりすることが可能です。また、従来の機械加工や成形では困難、あるいは不可能な内部格子構造の実現も可能にします。
そのメリットは自動車部品だけに留まりません。メーカー各社は、重い金属製の金型を、より軽量なポリマー製の金型に切り替えています。これにより、作業者の負担が軽減され、設備への負荷も低減されます。
EVプログラムにおいて、重量を1グラム削減するごとに、バッテリーの航続距離が直接延長されます。AMにより、エンジニアは構造的完全性を損なうことなく、ブラケットやハウジングの設計を最適化し、質量を最小限に抑えることができます。ストラタシス社のFDMおよびSAF技術は、いずれもEVのバッテリーエンクロージャー、モーターハウジング、および内装構造部品に使用されるエンジニアリンググレードの熱可塑性樹脂に対応しています。
組立治具、検査治具、ドリルガイド、ロボットアーム用ツールなど、生産ラインで使用される製造補助具のほとんどは、3Dプリントで製作可能です。 機械加工や外部委託と比較すると、通常、リードタイムは数週間ではなく数日単位で済みますし、設計変更があった場合でも即座に工具を修正することが容易です。実際の活用例をいくつか
ご紹介します：
自動車プログラムにおいてバリエーション、特別仕様車、顧客固有のオプションが求められる場面では、積層造形がその価値を十分に発揮する傾向があります。これは、高級車、モータースポーツ、コンセプトカー、限定生産といった少量生産のカテゴリーにおいて特に当てはまります。これらの分野では、生産台数に対して従来の金型コストを正当化することが困難だからです。
部品はデジタルファイルから直接生成されるため、バリエーションごとに新しい金型を必要とせず、メーカーは、従来の方法では不可能なほど効率的に、オーダーメイドのインテリア部品、パーソナライズされた機能、小ロットのトリムパッケージ、および特殊部品を生産することができます。
メーカーは、部品を大量に何年も倉庫に保管する代わりに、デジタルファイルを常備し、必要な時にのみ交換部品をプリントすることができます。この変化は、アフターマーケットのサポート、旧型車、および少量生産プログラムなど、需要の予測が困難な分野において特に重要であり、少量生産のための金型製作コストを回避することができます。
その一例として、Stratasys Direct Manufacturingが、PolyJet™技術を用いて生産終了したラジエーター部品を再現し、オリジナルの金型を再作成する必要なく、1930年製の「サンプソン・スペシャル」レーシングカーの修復を支援した事例が挙げられます。
自動車業界では、金属積層造形技術が、軽量構造体、熱交換器、および内部形状が複雑な高性能部品の製造に活用されています。
当社はポリマー積層造形技術で最もよく知られていますが、Tritone社のMoldJet®技術を通じて金属積層造形ソリューションも提供しています。
しかし、「金属」と聞くと、多くの人は金属製の量産部品を思い浮かべがちです。しかし、多くの自動車メーカーにとって、金属製のエンドユース部品を置き換えることよりも、金属製金型を置き換えることの方が、より大きな価値をもたらします。 Stratasysのポリマー3Dプリンティングシステムは、機械加工された金属金型の代替、金型の軽量化、板金成形用金型の製造、および金属的な外観、EMIシールド、あるいは特定の表面特性が求められる場面での金属メッキを施したポリマー部品の製造に広く活用されています。
積層造形は、自動車製品のライフサイクル全体を通じて価値をもたらし、メーカーが開発を加速させ、生産効率を向上させ、コストを削減し、より強靭なサプライチェーンを構築することを支援します。
AMは、アイデアから実物部品までの距離を短縮します。エンジニアは、金型の製作やサプライヤーのリードタイムを待つことなく、コンセプトの検証、設計の妥当性確認、変更を行うことができます。ゼネラルモーターズは、3Dプリンティングへの移行により、リードタイムを9週間から2週間に短縮しました。
従来の製造では、材料を削り取る（切削・トリミング）という「減法」的な手法が一般的です。一方、積層造形は逆のアプローチを取り、部品に実際に必要な部分のみを積み上げていきます。
これは、従来の方法では廃棄物が急速に蓄積してしまう複雑な形状や小ロット生産において、特に重要です。粉末ベースのプロセスでは、未使用の材料を回収して再利用できる場合が多いため、その利点はさらに大きくなります。SAF™ ReLife™ PA12はその好例です。
AMのエネルギー面での利点の一部は、プロセス自体の簡素化に起因しています。金型の使用が減り、組み立て工程が少なくなり、実際に使用される場所の近くで部品を製造できる選択肢が生まれます。ソフトウェアも重要な役割を果たしており、造形方向やサポート構造を最適化することで、材料の無駄や再造形を削減します。
輸送、保管、金型の削減に加え、造形プロセス自体の非効率性が低減されることを総合すると、実質的なエネルギー節約につながります。
予備部品は通常、倉庫スペースを必要とし、しかもその量は膨大です。AMはこれとは異なるモデルを提供します。設計データをデジタルファイルとして保管し、実際に必要になったときにのみ部品をプリントするのです。
これにより、保管スペースが削減され、棚に置かれたまま部品が陳腐化するリスクが低減され、少量生産車や旧型車のサポートもはるかに容易になります。サンプソン・スペシャルの修復事例はこれをよく示しています。ストラタシス・ダイレクト・マニュファクチャリング社は、1930年製のレーシングカー用に、一から金型を作成する代わりに、生産終了したラジエーター部品を複製しました。
積層造形は、金型の不要化、開発サイクルの短縮、在庫要件の削減、そしてより効率的な生産ワークフローの実現を通じて、コストを削減することができます。
そのコスト削減効果は甚大です。例えば：
積層造形は自動車製造において確固たる地位を築いていますが、従来の方法を万能に置き換えるものではありません。他のあらゆるプロセスと同様に、積層造形にも最適な適用範囲があり、その範囲を把握することは、その能力を知るのと同じくらい重要です。
大量生産においては、コストの面で射出成形やプレス加工に勝ることは依然として難しい。 金型が一度作られれば、1個あたりのコストは低くなり、その水準を維持します。AMが真価を発揮するのは、その対極にある領域、すなわちプロトタイプ、金型、交換部品、および少量生産といった分野であり、そこではそもそも初期の金型投資を正当化することが難しいからです。
[H3] 印刷速度とスループット
積層造形技術は向上し続けていますが、数千個や数百万個の同一部品を生産する場合、多くの従来の製造プロセスの方が依然として高速です。AMは、最大生産量よりも柔軟性、市場投入までのスピード、あるいは設計の自由度がより重要とされる場面でよく利用されます。
自動車のすべての部品は、厳格な品質および性能基準を満たす必要があり、積層造形部品も例外ではありません。AMが量産に導入されるにつれ、プリントされた部品が実際に想定される技術基準を満たしていることを確認するための「生産部品承認プロセス（PPAP）」などのプロセスが存在します。
PPAPは、製造プロセスが技術仕様に沿った部品を一貫して生産できることを検証するものです。積層造形部品の場合、これは生産ロット全体にわたる材料特性、寸法精度、およびプロセスの再現性を文書化することを意味します。Stratasys Directは、量産グレードの3Dプリント部品向けの完全なPPAPワークフローをサポートしています。
材料は改良され続けていますが、あらゆる用途に対応できる単一のAM材料はまだ存在しません。強度、耐熱性、耐久性、耐薬品性、表面仕上げなど、エンジニアは材料を選択する前にこれらすべてを総合的に検討しなければなりません。適切な材料の選択は、適切なプロセスの選択と同様に重要となります。
ストラタシスは、自動車製品のライフサイクル全体――コンセプト開発、ラピッドプロトタイピング、量産用金型、最終用途部品、および製造サービス――を包括的にサポートしています。
コンセプトモデルやプロトタイプに、正確な外観と寸法、微細なディテール、滑らかな表面仕上げ、高い寸法精度が求められる場合、設計チームはPolyJet™およびNeo®ステレオリソグラフィーを採用します。そのため、これらの技術は設計レビュー、空力試験、フィット・アンド・フォーム解析、機能検証に最適です。
FDM®は、工場現場において、治具、固定具、ゲージ、ドリルガイド、ロボットアーム用ツール、板金成形用金型などに広く利用されています。エンジニアリング熱可塑性樹脂を使用することで、これらのツールには日常的な使用に耐える十分な強度と耐久性が与えられ、同時に製造にかかるリードタイムとコストを削減します。
SAF®は、再現性が高く生産品質を満たすポリマー部品の製造を目的としており、従来の金型では採算が合わないブリッジ製造、交換用部品、および少量生産に最適です。
部品に射出成形品に近い品質が求められる場合、P3™ DLPが最適な解決策となることがよくあります。高い精度、優れた表面仕上げ、そして一貫した機械的特性により、機能性プロトタイプ、生産用金型、および短期間の生産部品において広く採用されています。
すべてのメーカーが積層造形装置に投資する必要があるわけではありません。Stratasys Direct®はオンデマンド生産サービスを提供しており、自動車メーカーは、生産用途向けに幅広い積層造形技術、材料、仕上げサービス、およびPPAP対応のワークフローを利用できます。
