自動車産業における3D印刷：自動車製造の革命

自動車産業における3D印刷：自動車製造の革命

はじめに：製造のギアシフト

現代の車を建てるのに必要なことについて考えるために立ち止まったことがありますか？これは、スタンピング、溶接、鋳造、機械加工の交響曲です。これは、1世紀以上にわたって業界標準であったプロセスです。信頼性が高くなりますが、セットアップが遅く、高価であり、設計に関しては本質的に制限されています。

しかし、自動車の世界は重要な変曲点にあります。容赦ない要求に直面しています より軽い車両、より速い開発サイクル、およびハイパーカスタマイズされたデザイン 、従来の製造方法が飛び散り始めています。

入力 3D印刷 、またはエンジニアがそれを呼ぶように、 添加剤の製造（aM） .

これは、プラスチックの装身具を印刷することだけではありません。 AMは、きちんとしたプロトタイピングのトリックから、モビリティの未来を積極的に形成している恐ろしい生産技術に変身しています。厳しい、ハイステークスの自動車製造の世界では、3Dプリンティングはもはや「尊敬する」オプションではありません。 必須の利点 .

この記事では、3Dプリンティングが、工場の床のシンプルなジグからエンジンの奥深くにある複雑な金属部分まで、自動車メーカーがすべてを再定義するのにどのように役立つかを探ります。

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3D印刷とは何ですか？ （クイックプライマー）

3Dプリントが次のBMWまたはフォードをどのように構築しているかについて話す前に、私たちがすべてテクノロジー自体について同じページにいることを確認しましょう。

基本的な違い：添加剤と減算的

従来の自動車製造（機械加工、製粉）を考えてみてください 減算的な製造 。あなたは素材の大きなブロック（ビレット）から始めて、あなたがすべてを切り、掘削、または彫ります しないでください 最後の部分が残されるまで欲しい。効果的ですが、大量の無駄を生み出します。

3D印刷, conversely, is Additive Manufacturing. それは文字通り反対です。デジタル3Dモデルに基づいて、何もありません。この「必要なもののみを使用する」アプローチは、特にコストと材料の効率において、その革新的な利益の多くの源です。

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自動車で使用される一般的な3D印刷プロセス

「3Dプリンティング」という用語は、テクノロジーのファミリーをカバーしており、自動車産業は、迅速なプラスチックプロトタイプまたは構造的な金属コンポーネントが必要かどうかに応じて、いくつかのキープレーヤーを使用しています。

プロセスの頭字語	フルネーム	物質的な焦点	それがどのように機能するか（要点）	自動車に最適...
FDM	融合モデリング	熱可塑性物質（ポリマー）	非常に正確なホットグルーガンのように、層ごとに層を構築するプラスチックのフィラメントを溶かして押し出します。	迅速で低コストのプロトタイプとシンプルなジグ/備品。
SLA	ステレオリソグラフィ	フォトポリマー樹脂	レーザーを使用して、液体樹脂を固体オブジェクトに硬化させます。高いディテールと滑らかな表面で知られています。	非常に正確なプロトタイピング、複雑な設計モデル。
SLS	選択的レーザー焼結	ナイロンパウダー（ポリマー）	強力なレーザーを使用して、微量粉末粒子を溶かし、層ごとに融合します。優れた強さ。	機能的なプロトタイプと最終使用部品（例：HVACダクト、インテリアトリム）。
MJF	マルチジェット融合（HP）	ナイロンパウダー（ポリマー）	加熱ランプと組み合わせたエージェントジェットシステムを使用して、粉末の層を急速に融合させます。スピードとボリュームで知られています。	ツーリング、低から中程度のボリュームエンド使用部品（例：カスタムベント、流体貯水池など）。
DMLS	直接金属レーザー焼結	金属粉末（アルミニウム、鋼、チタン）	SLSに似ていますが、強力なレーザーを使用して完全に溶かし、細かい金属粉末を融合します。	構造コンポーネント、エンジン部品、高性能ツール。

材料：何で印刷していますか？

今日入手可能な材料は、真剣な自動車用アプリケーションで3D印刷の扉を本当に開いたものです。

• ポリマー（プラスチック）： 基本的なプラスチックを超えて、私たちは、車両で必要な熱、振動、紫外線への曝露に耐えることができる、工業用グレード、炎の遅延ナイロン、ポリカーボネート、および特殊な樹脂について話しています。

• 複合材料： これらは、最も一般的には繊維で補強されたポリマーです 炭素繊維 。これらの材料は、達成するために重要です 軽量化 目標は、重量の一部で金属の強度を提供します。電気自動車のバッテリーエンクロージャーと空力ネタバレに最適です。

• 金属： ゲームチェンジャー。 DMLSなどのテクノロジーを使用して、メーカーは、排気コンポーネント、特殊なブラケット、または特定のエンジン要素などのミッションクリティカルな部品のためのアルミニウム合金（熱散逸に最適）、ステンレス鋼、チタンを印刷できます。

この基盤セットを使用すると、感謝することができます なぜ 自動車会社はこのテクノロジーに多額の投資をしています。それはスピードだけではありません。 物質的な可能性 そして 設計の自由 その金属と複合材は許可します。

自動車業界での3D印刷のアプリケーション：ゴムが道路に出会う場所

3D印刷の真の力は、レイヤーごとに物事を構築する能力だけでなく、その純粋なものにあります 汎用性 数十年後、最も早いスケッチから最終的なスペアパートまで、製品のライフサイクル全体にわたって。自動車業界にとって、AMは5つのコア領域に対処するマルチツールです。

1。プロトタイピング：デザインレースの高速化

これがOGアプリケーションであり、3Dプリンターが最初に自動車R＆Dラボに入った理由です。

• より速く、費用対効果の高いプロトタイピング： デザイナーが新しいエアベントデザインを作成することを想像してください。伝統的に、物理バージョンを作成するには、CADファイルをマシンショップに送信し、金型やツーリングのセットアップ、および数日または数週間待っている必要がありました。最新の産業3Dプリンター（SLAやMJFシステムなど）を使用すると、そのエンジニアは机の上に物理的に正確で機能的なプロトタイプを持つことができます 一晩 .

• 迅速な反復： この加速により、エンジニアはテストできることを意味します もっと デザイン。複雑なマニホールドの2つの設計オプションをテストするだけでなく、10個をテストできます。欠陥は以前に発見され、設計の反復はより速く、最終的なデザインにロックするのにかかる時間は劇的に減少します。

• 例： 自動車メーカーは、ダッシュボードのフルスケールの審美モデル、風が張り得る空力コンポーネント、さらには早期のテストラバ用の機能的な負荷を含む部分を定期的に印刷しています。

2。ツール：秘密の効率的な武器

プロトタイプが見出しを取得しますが、3Dが印刷されています ツーリング、ジグ、および備品 静かなヒーローは、組み立てラインの効率を変換します。これらは行く部分ではありません の中へ 車ですが、使用されたカスタムエイズ 構築する 車。

• カスタマイズと人間工学： 組立ラインには、反復的で正確なタスクがいっぱいです。 3D印刷により、技術者は、特定の車モデルの輪郭や特定の従業員の手にさえ正確に調整された、軽量でカスタムフィットツール（ドリルガイド、アライメントジグ、センサーマウントフィクスチャーなど）を迅速に作成できます。

• 費用と時間の節約： 数千ドルと数週間を費やして、制限された生産走行にのみ使用される金属チェックゲージを加工するのですか？多くの場合、炭素繊維（ナイロン12 cfなど）で補強された3Dプリントポリマーバージョンは、1日でかかる費用がかかり、頭上とダウンタイムの大幅な削減につながる可能性があります。

3。生産部品：最終用途に移動します

これは最もエキサイティングなフロンティアです。それはからのシフトです 「プロトタイプの3D印刷」 に 「3D印刷車に出荷される部品。」

• 低容量およびパフォーマンス車両： スポーツカー、ハイパーカー、または生産数が限られている電気自動車の場合、従来のツールのコストは法外にあります。 3Dプリンティングは、数百万ドルの金型に投資せずに、非常に複雑で高性能の部品（チタン排気チップ、特殊な冷却チャネル、複雑な金属ブラケットなど）を製造する方法を提供します。

• 部品統合の力： これは重要な技術的洞察です。従来のアセンブリには、6つの異なるスタンプ、溶接、または鋳造ピースが必要になる場合があります。 3D印刷、特に金属AM（DMLS）により、エンジニアは6つの機能すべてを設計できます。 幾何学的に複雑な1つの単一の部分 。これにより、アセンブリ時間が短縮され、部品数（およびインベントリの複雑さ）が低下し、しばしばより強力で軽いコンポーネントになります。

• 例： ゼネラルモーターズは現在、化粧品のトリムから構造的な括弧に至るまで、キャデラックセレスティクなどの新しい車両に100を超える3Dプリントされたエンド使用コンポーネントを組み込んでいます。

4。カスタマイズとパーソナライズ：「私の車」体験

市場は「大量生産」から「大量顧客」に向かっています。 3D印刷は、そのシフトのエンジンです。

• ユニークなインテリア要素： あなたの名前をダッシュ​​ボードのトリムにエッチングしたい、またはギアシフトノブの特定のグラフィックパターンを入れたいですか？ 3D印刷により、経済的に実行可能になります。自動車メーカーは、大きな在庫を在庫したり印刷することなく、何百ものパーソナライズされたオプションのカタログを提供できます オンデマンド .

• アフターマーケットとアクセサリー： 愛好家とチューナーは、3D印刷を使用して、カスタム空気吸気、修正された外部ボディ要素、またはアフターマーケットゲージのマウントを作成します。

5。スペアパーツと修理：デジタルウェアハウジング

古いモデルまたは低容量モデルの場合、スペアパーツインベントリは経済的な悪夢です。製造業者は、需要を推測し、余分なものを生産し、何年も保管する必要があります。

• オンデマンドデジタルインベントリ： 解決策はです デジタルウェアハウス 。ダストで覆われた部品でいっぱいの物理的な棚の代わりに、自動車メーカーはデジタルCADファイルを保存します。たとえば、20年前のクラシックの特定のプラスチックキャップであるまれな部分が必要な場合は、ファイルをダウンロードして最寄りの産業プリンターに印刷するだけです。

• 自動車の遺産を保存： これは、クラシックカーの修復に不可欠です。たとえば、ポルシェは3Dプリントを使用して、象徴的なビンテージモデルに超範囲の金属部品を供給し、これらの車両が高価な数十年前の工具を再現することなく道路にとどまることを保証します。

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パートIII：ビジネスの必須事項 - 将来の車にとって添加剤の製造が不可欠なのはなぜですか

前のセクションで3D印刷の広範なアプリケーションについて説明した場合、すべてのエグゼクティブとエンジニアの質問は次のとおりです。 なぜそれを採用するために戦略的なシフトに耐えるのですか？ 答えは、自動車生産の経済性を根本的に再形成する5つの強力で測定可能なビジネス上の利点にあります。

1。軽量化とパフォーマンスの力

より低い車両重量の追求 - 軽量化 - 抽象的な目標ではありません。これは、より高いパフォーマンスの需要と、電気自動車（EV）のより大きなバッテリー範囲の実存的なニーズによって推進される重要な任務です。 3D印刷は、比類のないソリューションを提供します。

• 生成デザイン： 金型と機械加工の制約によって制限される従来の製造とは異なり、添加剤の製造（AM）はによって作成されたデザインをもたらすことができます 生成デザイン 生活へのソフトウェア。エンジニアは負荷要件と空間的制約を入力し、AI駆動型ソフトウェアは必要な最小限の材料のみを使用して部品を設計します。

• 複雑な内部構造： このプロセスにより、格子状の形状（鋳造または機械が不可能な）が等しいまたは優れた強度を実現しながら、部分質量を最大50％削減します。

• パフォーマンスの向上： EVの場合、保存されたすべてのキログラムは、拡張範囲のマイルに直接変換されます。高性能車両とモータースポーツ車両の場合、より軽いコンポーネントは、優れた敏ility性、燃費の改善、およびトラックの競争力を意味します。たとえば、ブガッティは、アルミニウムの前任者の重量のほぼ半分のチタンブレーキキャリパーを3Dプリントしました。

2。市場までの時間：加速反復

新しいEVモデルを5年以内に時代遅れにすることができる急速に変化する市場では、速度が最も重要です。 3D印刷は、従来の製品開発タイムラインを崩壊させます。

• 迅速なプロトタイピング： 従来のツール（金型、ダイ）に必要な数週間または数か月ではなく、数時間または数か月ではなく、数時間または数日で機能的で高忠実度のプロトタイプを印刷する能力は、ゲームチェンジャーです。これにより、エンジニアは、空気のインテークからインテリアコンソールまで、重要なコンポーネントに数十の設計反復を実施し、優れた最終製品につながることができます。

• ツールレス制作： 金型とツーリングの作成の時間的かつ高価なステップを削除することにより、3Dプリンティングは開発サイクルを大幅に削減します。デジタルCADファイルを更新するだけで、かつて数か月かかった再ツールがかかった変更の変更を一晩で実装できるようになりました。

3。サプライチェーンの俊敏性とデジタルインベントリ

グローバルな集中型サプライチェーンの脆弱性は、最近の危機の間に痛々しいほど暴露されました。添加剤の製造は、より大きな回復力と運用コストの大幅な削減への経路を提供します。

• オンデマンド製造： 自動車会社は、スペアパーツの物理的な倉庫を置き換えることができます デジタルインベントリ 。何十年にもわたって何千ものレガシーまたは少量の部品を供給する代わりに、安全なCADファイルを保存し、地元の施設、さらにはディーラーに部品を印刷します。

• 在庫コストの削減： このシフトは、計り知れない倉庫、出荷、陳腐化のコストを排除します。クラシックカー部門の場合、これにより、経済的に禁止されている生産の実行にコミットすることなく、まれな部品を常に再現できるようになります。

• ローカルプロダクション： このテクノロジーは、地政学的な混乱と高い国境を越えた送料からの分散化された地方の生産、断熱メーカーを促進します。

4。コア機能としてのカスタマイズ

大量生産は長い間パーソナライズの敵でした。 3Dプリンティングはこのダイナミックを反転させ、大量のメーカーであっても、カスタマイズを経済的な現実にします。

• 大量のカスタマイズ： 高級ブランドや特別版の車両の場合、ユニークなトリムピース、ダッシュボードコンポーネント、およびパーソナライズされたアクセサリーは、カスタムツーリングの法外なコストを負担することなく、小規模で印刷できます。

• 人間工学と効率： 工場のフロアでは、高度に専門化されたジグ、備品、人間工学に基づいた組み立て補助具を特定のラインまたは個々の労働者にカスタムプリントし、製造効率を大幅に改善し、ヒューマンエラーのリスクを減らすことができます。

5。部品の統合と組み立てのシンプルさ

伝統的なアセンブリには、多くの場合、数十の個別のピース（射撃、ブラケット、チャネル）が個別に製造され、労働と複雑さで組み立てられる必要があります。

• 統合コンポーネント： 添加剤の製造は、10以上の複雑なインターロック部品を単一の凝集性成分に統合することができます。これにより、部分がより強く、より軽く（ファスナーを排除することで）軽くするだけでなく、アセンブリプロセスを劇的に簡素化し、人件費を削減し、潜在的な失敗点を最小限に抑えます。

パートIV：証明はパートにあります - 現実世界のケーススタディと生産量

添加剤製造の戦略的利点は、もはや理論的ではありません。最も革新的な自動車メーカーは、プロトタイプをはるかに超えて移動し、3D印刷されたコンポーネントを生産ラインと高性能車両に直接統合しています。

業界の変化を検証する決定的なケーススタディは次のとおりです。

1。高性能の先駆者：ブガッティ

Bugattiの作品は、生成デザインと金属添加剤の製造を組み合わせて、極端なパフォーマンスの課題を解決する頂点を表しています。

• コンポーネント： 8ピストンモノブロック チタンブレーキキャリパー （Chiron Hypercarの場合）。

• テクノロジー： 高性能チタン合金の選択的レーザー融解（SLM）、TI6AL4V。

• 影響： 3D印刷されたキャリパーの重量はちょうどあります 2.9 kg 、従来の製造されたアルミニウムバージョン（4.9 kg）と比較して、40％の重量削減。重大なことに、の引張強度を維持しながら、この体重減少を達成しました $1、250{\text{n/mm}}^2$ 停留所を含む最も厳格なテストに合格します $250\text{MPH}$ 。これは、開発時に自動車用途向けに印刷された最大の機能チタンコンポーネントでした。

2。ボリュームリーダー：BMWグループ

BMWは、間違いなく、R＆Dから最終製品や工場の床の最適化まで、その運用全体にAMを統合するという点で、最も先進的な大衆市場メーカーです。

• 生産尺度： BMWグループは現在生成されています 年間400,000の3D印刷部品 グローバル生産ネットワーク全体。

• 最終用途の例： BMWは、印刷コンポーネントをさまざまなモデルに統合しています。

  • ルーフブラケット： BMW I8のような車両では、カスタムプリントされた負荷最適化ポリマーブラケットを使用して、軽量のカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）屋根を保護しました。

  • カスタムグリッパーとジグ： MシリーズCFRP屋根の組立ラインでは、BMWは巨大なバイオニック（有機構造）ロボットグリッパーを使用しています。 $25％$ 前任者よりも軽い。この軽量化により、自動車メーカーはより小さく、よりエネルギー効率の高いロボットを使用し、コストとエネルギー消費を削減できます。

• デジタル工場： 専用の添加剤製造キャンパスを確立することにより、BMWは、その世界のいずれかでツール、ジグ、および備品を印刷するための知識を急速に発展させ、普及させ、ローカライズされたオンデマンドのサプライチェーンの回復力を実現しています。

3。効率イノベーター：フォードモーターカンパニー

フォードは、主に工場の床とアフターマーケットの高価値エリアに技術を適用することにより、毎年数百万を節約するために3D印刷を戦略的に活用しています。

• ツーリングと製造エイズ： バレンシアトランスミッションプラントのような植物では、Fordの内部3Dプリントラボが5,000を超える印刷可能な部品のカタログを作成し、毎年何万もの印刷された製造援助とスペアパーツを生産しています。これらのカスタムツール（チェックゲージ、ドリルガイド、カスタムクリップなど）は、労働者の人間工学を重要に改善し、ダウンタイムを劇的に削減します。

• コストの利点： 重要な組立ラインフィクスチャが壊れると、従来、交換は数週間かかり、数千ドルかかる可能性があります。一部のコストで社内部品を数時間で印刷することにより、Fordは比類のない運用の継続性を維持します。

• アフターマーケットとレガシーパーツ： ポルシェや他の主要なOEMと同様に、フォードは、廃止されたスペアパーツのインベントリをデジタル化しており、クラシックモデルまたは古いモデルの所有者が常にオンデマンドで機能的でOEMスペックの交換部品を調達できるようにします。

4。将来の車両：ゼネラルモーターズ（GM）

GMは、生成デザインと3D印刷がどのように組み合わさって、構造の完全性と体重減少を再定義する部品を生成する方法を紹介しています。

• コンポーネント： A 生成的に設計されたシートブラケット （Autodeskとのコラボレーションで制作）。

• 影響： GMの新しいブラケットデザインが統合されました 8つの異なる従来のコンポーネント の中へ a single, complex 3D printed piece. The resulting part was $40％$ ライターと $20％$ 元のアセンブリよりも強い。この機能と構造の統合は、3D印刷が単なる交換プロセスではなく、車両全体の基本的な再設計哲学であるという最も明確な信号です。

加法の未来の3つの柱

3D印刷の統合により、次の世紀の自動車景観を定義する3つの主要なパラダイムシフトが作成されます。

1.質量のカスタマイズが不可欠です

従来の製造は大量生産のモデルです。ツールは、何百万もの同一の部品向けに設計されています。ただし、添加剤の製造は可能になります 大量のカスタマイズ 。ハイエンドの豪華さまたはパフォーマンス車両の場合、これはユニークでドライバーが最適化されたコンポーネント（カスタムステアリングホイール、座席マウント）をオンデマンドで製造できることを意味します。消費者にとっては、法外なコストを帯びることなく、パーソナライズされたトリム、バッジ、インテリア要素への扉を開きます。

2。電気自動車（EV）の利点

電気自動車は、減量から不均衡に利益を得ています。 EVの効率は、その質量に直接結びついています。エンジニアが複雑でバイオニック構造を作成し、複数のコンポーネントを1つに統合できるようにすることにより（GMで見られる）、3Dプリンティングは車両の重量を減らすために利用可能な最も効果的なツールです。 バッテリーの範囲を拡張し、全体的な材料消費を削減します。

3。デジタルサプライチェーンと回復力

究極の目標はです デジタルインベントリ 。数十年にわたって何千もの物理的なスペアパーツを倉庫にする代わりに、メーカーはデジタルファイル（CADブループリント）を保存できます。部品が必要な場合（組み立てラインのツールであろうと、20年前の車両の交換コンポーネントであろうと、数時間で世界中のどこでも地元で印刷できます。このシフトは、倉庫コストを排除し、出荷時間を大幅に削減し、グローバルなサプライチェーンの混乱に対して前例のない回復力を提供します。

最終的な見通し

自動車産業は、非常に分散型のデジタル駆動型の生産モデルに向かっています。すべての部分は質問の対象となります。 このコンポーネントは、より適切に製造されていますか、それとも追加されていますか？

3Dプリンティングテクノロジーが速度、材料の多様性、および規模の増加を続けているため、答えはますます後者になります。この技術は、車を改善するだけではありません。それらがどのように、どこで構築されているかを再定義し、より速く、より軽く、強く、本質的に持続可能な生産の時代に導かれます。