この記事の一部は、もともと『フォーブス』に掲載されたものです。
FDMによる部品製造の可能性はすでに実証されています。今日の生産現場におけるより難しい課題は、プリンターから出力されるすべての部品が要件を満たし、認証を通過し、かつ経済的にも合理的なものであることを証明できるかどうかです。この問いにデジタルで答えるのがFDMシミュレーションソフトウェアの役割であり、シミュレーションが部品の実際の印刷方法を理解して初めて、その役割を果たすことができます。
本記事では、プリント部品の認定に多額の費用がかかる理由、汎用シミュレーションがFDMにおいて重要な要素を見落としている理由、そして製造部門のリーダーが、部品をプロトタイピングラボから信頼性の高い量産ラインへと移行させるために今何ができるかについて考察します。
Wohlers Associatesによると、2025年の世界の積層造形市場の売上高は242億ドルに達し、成長率は10.9％となった。これは2024年比でわずかに上昇したものの、パンデミック前に業界が見せていた20％を超える成長率には依然として大きく及ばない。 より示唆に富むのは、成長の源泉がどこにあるかという点だ。印刷サービス、すなわち実際に部品を製造する企業が、業界売上高の48％を占め、15.5％の成長を記録したのに対し、システム販売の伸びは3.6％にとどまった。
価値は生産側へと移行しつつある。業界の今後の展開は、プリンターの販売台数の増加よりも、むしろそれらのプリンターが製造する部品が信頼できるかどうかにかかっている。
安全性が極めて重要な用途において、信頼性を確保するには、その設計上、多額の費用がかかります。NISTは、広範な実証試験を通じて材料を完全に認定するには、多くの場合、数千回に及ぶ個別の試験、数百万ドルの費用、そして5年から15年の期間を要すると指摘しています。 こうした負担に直面し、多くのメーカーは積層造形をプロトタイピングラボの範囲内に留めている。そこではミスのコストが低く、部品の経緯について厳しい質問をされることもないからだ。
プリンター自体がボトルネックになることはめったにありません。現代のFDMシステムは、それを取り巻くワークフローよりも高性能です。信頼性の高い生産を実現するには、設計、プロセス定義、造形、検査、性能、コストという各段階が、次の段階に情報を引き継ぐ必要があります。しかし、多くの組織では、これらの段階が別々のツールで管理されており、ツール間の引き継ぎのたびに信頼が損なわれてしまいます。
シミュレーションはその典型的な例です。実際のツールパスを把握せずにFDM部品のシミュレーションを行うと、実際には製造されることのない部品の挙動を予測することになります。デジタルモデルが信頼できない場合、唯一の代替手段は、時間がかかり破壊的な実物試験を行うか、シミュレーションでは把握できない部分をカバーするために部品を過剰に設計することしかありません。
従来の機械加工では、部品は認定済みのビレットから始まり、その材料特性は形状とは別個に管理されます。積層造形はこれとは異なる仕組みで機能します。材料は形状と同時に生成され、ツールパスこそが両方を形成するのです。
Novineer社の物理試験プログラム（1,500件の検証に向けて700件以上の試験を完了）は、これがどれほど重要かを示しています。 同一の形状と原料を持ち、同じ機械で同じ方法で積層された2つの部品であっても、それらを充填するために使用されたツールパスだけで、たわみの差が最大6倍にも及ぶことがあります。プロセスと材料を分離して行うシミュレーションは、構造的に誤ったものとなります。
これをイメージする一つの方法は、プリントされた部品には「解剖学」（形状）と「生理学」（材料）がある、と考えることです。さらに、その部品には「神経系」であるツールパスがあり、これが部品が層ごとにどのように形成されるかを定義し、熱履歴と相まって、荷重下での性能を決定づけます。 だからこそ、FDMにおいては、形状のみの解析よりもツールパスシミュレーションの方がはるかに重要になるのです。
物理試験によって検証されたシミュレーションモデルが、実際のツールパスや造形記録と紐付けられると、その検証結果は部品から部品へと引き継がれます。これにより、認定はパラメータが変更されるたびに繰り返されるコストではなく、蓄積されていく資産となります。
NoviPathは、Stratasysユーザーにとってこの課題を解決するためにNovineer社によって開発されました。理想化されたソリッドをシミュレートするのではなく、GrabCAD Print Proから直接（エクスポートなしで）受け取った実際のツールパス、積層方向、材料、プリンターデータを用いて、実際に印刷される通りの形状をシミュレートします。
ワークフローは4つのステップで構成されます。まず、GrabCAD Print Proからジョブを開き、NoviPathに形状、ツールパス、材料、プリンターデータを渡します。 点荷重、面荷重、および固定制約を適用します；NoviPathが局所的に変化するフィラメントの向きを部品にマッピングして数分で解析を実行します；その後、自動生成されたレポートで応力の集中箇所、変位、および予測される破損箇所を確認します。
破壊試験による検証結果：
NoviPathは、Stratasys F900、Fortus 450mc、F3300に対応しており、ULTEM 9085、Antero 800NA、FDM Nylon 12CF用の事前検証済みパラメータを備えています。 現在、GrabCAD Print Proをご利用のお客様向けにアップグレードとして提供されており、試用を開始するのにクレジットカードは不要です。
この手法についてさらに詳しく知りたい方は、FDM向けの積層造形シミュレーションに関する以前の投稿をご覧ください。
生産用途での3Dプリンティングの導入を検討している製造部門のリーダーにとって、以下の3つの優先事項が特に重要です：
生産現場は、履歴のない部品を決して許容しません。遅かれ早かれ、顧客は部品の背景にある記録を要求してくるでしょう。問題は、その記録を提示できるかどうかです。
FDMシミュレーションソフトウェアは、溶融積層造形（FDM）で製造された部品が、印刷される前に荷重下でどのように振る舞うかを予測するものです。FDM部品は材料の積層方法によって挙動が異なるため、最も精度の高いツールでは実際のツールパスと材料データを使用します。
ANSYSやAbaqusなどの一般的なFEAツールは、部品を均質な固体としてシミュレーションするため、ツールパスがモデルに取り込まれることはありません。一方、NoviPathはGrabCAD Print Proからの実際のツールパスを実装し、局所的に変化するフィラメントの配向を部品にマッピングします。これにより、各領域の剛性と強度は、材料が積層された方法に忠実に反映されます。 データはGrabCAD Print Proから直接引き継がれます。
FDMでは、ツールパスが材料の積層方法を決定し、これが強度や剛性に直接影響します。同一の形状を持つ部品でも、ツールパスによって性能が大きく異なるため、実際のツールパスに基づいたシミュレーションは、形状のみの解析よりもはるかに信頼性の高い予測結果をもたらします。
実物試験と照合して検証されたシミュレーションにより、エンジニアは構造要件をまずデジタル上で確認できるため、実物試験のサイクル数を削減し、破壊試験を最終認証の段階まで温存できます。また、不確実性をカバーするために肉厚や充填率を余分に確保する必要がなくなるため、過剰設計も削減されます。
互換性のあるツールパスのエクスポートを生成するには、有効なGrabCAD Print Proのサブスクリプションと、対応するStratasys FDMプリンター（F900、Fortus 450mc、またはF3300）が必要です。クレジットカードなしでトライアルを開始できます。
NoviPathをGrabCAD Print Proと組み合わせて試してみてください。パーツがビルドプレートに載る前に、どこで、どの程度の荷重で破損するかを事前に確認できます。無料トライアルにお申し込みください
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