3D プリンターの元祖は、1980 年代に日本人研究者が考案した「立体図形作成装置」です。これは、デジタルデータを見える形にする光造形法の装置でした。近年は技術革新に伴い、ものづくりの現場で Additive Manufacturing（付加製造）技術を実現する 3D プリンターの活用が進んでいます。
そこで今回は、3D プリンターを活用した製品開発のトレンドと、3D プリンターの課題を解決する 3D CAD の機能をご紹介します。
記事の後半では、3D プリンターや Creo の活用事例もご紹介していますので、ぜひ最後までご覧ください。
Creo に関する詳細はこちら
【製造業】3D プリンターを活用した製品開発のトレンド
製造業でよく耳にする「Additive Manufacturing (AM)」とは、ISO で定義された用語で、付加製造（積層造形）技術のことです。Additive Manufacturing 技術を実現する装置は 3D プリンターで、樹脂、金属、セラミックスなど幅広い材料が使用されます。AM は、複雑な形状や薄肉形状の成形に非常に適した工法です。
製造工程で 3D プリンター使用の動きが活発化
昨今のものづくりの現場では、試作などの上流工程だけでなく、設計と解析を終えた後の製造工程でも 3D プリンターの活用が進みつつあります。
3D プリンターを活用した AM によるものづくりが活発化している背景にあるのは、生産への活用を見込んだ AM 関連の技術開発です。ソフトウェアとハードウェアの両面で周辺装置との技術連携が進んでいるほか、ワークフローの自動化や、造形中のモニタリングによって欠陥発生の抑制や造形品質の向上などが可能になりました。
金属積層造形の設計に必要な 3D CAD の進化はもちろんのこと、金属 3D プリンターの原料となる金属粉末についても、環境負荷を軽減する技術等の開発が進んでいます。
レーザー方式など金属積層造形技術を活用する機運の高まり
日本では、生産用金型の製作に 3D プリンターを活用する動きが広がっています。金型の成形サイクル短縮のカギが冷却にあることは、ご存じの方が多いでしょう。3D プリンターを使えば、樹脂成形やダイカスト成形の金型に冷却穴を設け、水や油を通して温度調整（温調）するための冷却回路を作成できます。
この温調により、成形品の反りを抑えるなど品質を高めつつ、冷却時間を短縮できます。それらの穴の加工方法は、従来、「穴あけ（ドリルを使った加工）」のみでした。しかし近年では、金属 3D プリンターを活用して金型を造形する際に、立体的な「水管（水穴）」も作成することで、冷却穴を成形品の面へより近づけられるようになりました。これは「コンフォーマル冷却チャネル」と呼ばれています。
日本で販売台数が多い産業用金属 3D プリンターは、「粉末床溶融結合方式 (PBF)」を採用したものです。PBF 方式は、レーザーまたは電子ビームの熱エネルギーを利用し、ポリマーと金属の両方に適用できます。レーザーの熱で敷き詰めた粉末材料を溶融し層を形成する PBF は、精密で機能的な部品製造が可能です。とくにドイツの EOS 社が、PBF 工法においてシェアが高いメーカーとして知られています。
【技術ブログ】設計者でも簡単！Creo Flow Analysis で始める熱流体解析：CAD 統合でフロントローディングを実現
コンフォーマル冷却チャネルの設計において、その冷却効果を事前に正確に予測することは、手戻りを防ぎ品質を最大化する上で非常に重要です。Creo の高度な熱流体シミュレーション機能を使えば、複雑な冷却回路の性能評価も可能です。
Creo の熱流体シミュレーションを詳しく見る
Additive Manufacturing を生産へ活用する際の課題
3D プリンターを活用した AM によるものづくりを実現するには、課題がいくつかあります。ここでは、Additive Manufacturing を生産に活用する際の課題を見ていきましょう。
造形時間とコストがかかる
3D プリンターの造形速度は、技術革新が進んだ現在でも、切削加工機に匹敵するレベルには達していません。精度を高めるために積層ピッチを細かくすると、造形時間はさらに長くなります。その分コストもかさむため、大量生産には向いていません。
造形に使う材料を変更する際には、3D プリンター内に残っている材料をすべて入れ替える必要もあります。これは、3D プリンター特有の課題です。金属造形では、未焼結の材料を回収して再利用できる場合もあり、高価な材料の節減につながるケースもあります。しかし実際には、材料となる金属粉末はバルク材に比べて非常に高価で手軽には使えないため、金属材料を購入して加工することが多いのが現状です。
3D プリンターの活用はトータルで見れば安価になる可能性もありますが、新しい材料を扱うため、現状ではコストと造形時間がかかると認識されています。ただし、こうした課題は技術革新が進むにつれて解消されていくと考えられます。
コンフォーマル冷却に対応する 3D CAD が少ない
コンフォーマル冷却チャネルは、均一な冷却性能を持たせるために、モールドキャビティやあらゆるジオメトリの形状に沿って等間隔で設計されます。しかし現実には、多くの 3D CAD がコンフォーマル冷却に対応できていません。一方、Creo はコンフォーマル冷却に対応している数少ない 3D CAD です。Creo では、金型のキャビティ形状に沿ったコンフォーマル冷却チャネルを設計できます。
以下は、従来の冷却チャネルの例です。
次に、コンフォーマル冷却の例を示します。
Creo では、射出成形金型のコンフォーマル冷却チャネルの設計最適化が可能です。
【技術ブログ】Creo で実現する金型設計のリードタイム短縮とコスト削減：CAD / CAM 連携や設計変更にも強い自動化の秘訣
本記事で紹介したコンフォーマル冷却チャネルの設計機能をはじめ、Creo には金型設計の効率化を支援するさまざまな機能が搭載されています。Creo を活用した金型設計の効率化について、詳しくは以下の記事をご覧ください。
Creo の金型設計機能を詳しく見る
コンフォーマル冷却チャネル設計機能については、こちらの動画でもご紹介しています（英語のみ）。
複数のソフトウェアを経由するためデータ変換の時間がかかる
3D プリンターを活用した AM によるものづくりをする場合、通常、さまざまなソフトウェアを経由しなくてはなりません。そのため、ソフトウェアを切り替えるたびにデータ変換に時間がかかる点が問題です。
たとえば、3D プリンターで造形する前のチェックには、3D データ修正、造形準備、解析の各ソフトウェアを使います。造形不良を予測して防止し、不良発生によるコストを削減するには、金属特有の放熱と残留応力を検討する必要があるためです。3MF や STL 形式などの 3D データは、3D プリンターで一層ずつ積み上げていくために、レイヤー状のデータ「G コード」に変換されなくてはなりません。この変換を担うのが、3D スライサーソフトです。
しかし 3D CAD Creo は、前述のような AM によるものづくりに必要な機能を単一のツールで網羅しています。データ変換に時間がかからない点が Creo の強みです。
【製品情報】Creo 付加製造（アディティブ・マニュファクチャリング）
3D プリンターを活用した設計と製造のプロセスを、Creo は単一の環境でシームレスに支援します。このページでは、革新的なラティス（格子）構造の作成、ジェネレーティブデザインによる形状最適化、プリント適性の検証まで、Creo が提供する付加製造ソリューションの全容を詳しくご紹介しています。
Creo の付加製造機能を詳しく見る
3D プリンターの課題を解決する 3D CAD Creo の機能
Creo は、3D プリンターを活用した AM によるものづくりを実現するための機能が充実しています。ここでは、3D プリンターが抱える課題を解決する Creo の機能について見ていきましょう。
コンフォーマル冷却に対応
生産用金型の成形サイクルを短縮し、かつ品質向上を目指すなら、コンフォーマル冷却の設計が可能な 3D CAD が必要になります。Creo は、Creo 12 の機能強化によって、射出成形工具のコンフォーマル冷却チャネルの設計最適化が可能になりました。Creo なら CAM と CAD の行き来も最小限に抑えられます。そのため造形を最適化しながら、セットアップ時間の短縮も可能です。
ジェネレーティブデザインとトポロジー最適化
Creo は、ジェネレーティブデザインとトポロジー最適化機能によって、3D プリンターに合った形状を簡単に自動生成できます。たとえば、ラティス形状（格子形状）も容易に生成できます。
ラティス形状（格子形状）を採用すれば、外形はそのままで内部をソリッドから格子にすることで、必要な強度を保ちながら軽量化できます。Creo の強みは、形状の生成スピードが速いことや、対応する形状の種類が多いことです。ビームに基づいた格子や式駆動の格子、さらにはユーザ定義（カスタム）の格子形状にも、Creo は対応しています。
さらに Creo なら、生成した形状を設計者がそのまま手元で解析できます。これにより、格子形状の作成時に解析を行い、その結果に基づいて格子の密度を自動で決定して、強度を確保できます。
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AI を活用した設計手法である「ジェネレーティブデザイン」について、その概要から、軽量化や性能向上といった課題を解決した導入事例までを詳しく解説した資料をご用意しました。Creo がいかにして高品質で新しい製品設計を効率化するか、ぜひこちらのeBookでご確認ください。
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・Creo のジェネレーティブデザインとトポロジー最適化設計でここまでできる！事例と設計プロセスを紹介
・なぜ Creo はリアルタイムシミュレーションで選ばれるのか？機能・連携・最新動向を完全解説
付加製造のための設計 (DfAM)
Creo なら、積層造形を前提とした「付加製造のための設計」が可能です。Creo 導入により設計、最適化、検証、プリントチェックに至るまで、3D プリンターを活用したものづくりに必要なすべてを同一環境でシームレスに実現可能です。
実は、積層造形を前提とした設計思想は、日本国内ではまだ定着していません。こうした設計思想が定着していない環境では、3D プリンター活用によるコスト面のメリットをすぐに得ることは困難です。
Creo は常に進化を続けており、部品設計の格子機能も強化されています。確率格子は部品のハードエッジを自動で特定して追従し、ドロネー三角パッチにも対応しています。また、ユーザ定義の格子セルにはカーブやサーフェスも追加できます。
【Creo Design パッケージ】自社の設計課題に最適な Creo パッケージを見つける
本記事でご紹介した付加製造 (AM) の主な機能は、パッケージ「Creo Design Advanced Professional (T3)」からご利用いただけますが、Creo はお客様の設計ニーズに応じてさまざまなパッケージをご用意しています。各パッケージで利用できる機能の違いを一覧で比較し、ジェネレーティブデザインや金型設計、高度なシミュレーションなど、貴社の課題解決に最適なソリューションがどのパッケージに含まれているかをご確認いただけます。
Creo Design パッケージ
T1 から T5 の各ライセンスに含まれる機能を紹介しています。
詳細はこちら【無料eBook】ベテラン設計者のノウハウを継承 Creo モデルベース定義 (MBD) 機能の進化
積層造形を前提とした「付加製造のための設計 (DfAM)」をさらに推し進めるのが、3D モデル自体に製造情報や公差情報を集約する「モデルベース定義 (MBD)」です。データ変換の手間をなくし、3D モデルを唯一の正しい情報源とする MBD の最新機能とメリットを解説したeBookはこちらからダウンロードいただけます。
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Additive Manufacturing に最適な 3D CAD/3D プリンターの選び方
AM によるものづくりを実現できる 3D プリンター選びの際には、造形品質の安定性や素材選択の自由度の高さを重視すると良いでしょう。AM に最適な 3D CAD は、単一ツールで付加製造を実現でき、データ連携性にも強い Creo がおすすめです。
複数のソフトウェアを使用すると、操作に手間と時間がかかり、エラーも発生しやすくなります。別々の CAD を使っていると、中間ファイルの扱いが難しい場合もあるでしょう。Creo のように単一ツールの環境であれば、こうした問題を防げます。
【技術ブログ】他社 CAD のデータ変換・互換時の設計し直しを Creo で解決！dwg ファイルも簡単に開ける機能とは？
複数のソフトウェアを経由する際のデータ変換は、時間だけでなくエラー発生のリスクも伴います。Creo 独自の「UNITE TECHNOLOGY」なら、他社製 CAD データを変換なしで直接読み込み、編集することが可能です。マルチ CAD 環境での課題を解決する方法を、こちらの記事で詳しく解説します。
Creo のマルチ CAD 対応を詳しく見る
さらに Creo なら PLM との連携もシームレスで、データ管理も容易です。PLM との連携によって、トレーサビリティも確保できるようになります。
【製品情報】PLM ソフトウェア「Windchill」
記事で触れた PLM（製品ライフサイクル管理）によるシームレスなデータ管理を実現するのが、PTC のソフトウェア「Windchill」です。このページでは、BOM 管理、設計変更管理、安全なコラボレーションなど、Windchill が提供する包括的な機能をご紹介しています。設計データを一元管理し、デジタルスレッドの中核を担う Windchill の全容をご覧ください。
Windchill PLM ソフトウェア
デジタルスレッドの中核をなす Windchill の機能とメリットをご紹介します。
詳細はこちらWindchill がいかにして製造業の DX を成功に導くか、具体的な成功事例を解説した技術ブログもあわせてご覧ください。
製造業 DX の成功事例に学ぶ：3D モデルと PLM でつながるデジタルスレッド
Creo なら、設計変更時の修正漏れを防げます。関連する図面や部品情報が自動で一括更新されるため、設計者は柔軟に対応できます。これにより、スピーディーな設計開発が可能になり、市場投入までのリードタイムを短縮できます。
また、Creo はマテリアライズ (Materialise) のドライバーと連携できるほか、EOS の 3D プリンターとも親和性が高く、3D システムズ (3D Systems) の 3D プリンターにも直接接続できます。
Creo 付加製造の特長と活用事例
Creo は、さまざまな付加製造用 3D プリンターに対応しています。3D モデルを 3D プリンターに送信するための 3MF など、さまざまな形式に対応しています。
ここでは、Creo 付加製造の特長と活用事例を紹介します。
Creo Additive Manufacturing Extension
Creo Additive Manufacturing Extension は、格子形状の作成はもちろん、格子形状の最適化時の設計パフォーマンスを向上させる拡張機能です。この拡張機能を使うことで、Creo は 3D Systems、Materialise Library などの 3D プリンターに直接接続できます。
「Materialise」向けの高度な拡張機能
Creo では、格子作成時の設計パフォーマンスとコストを最適化する高度な拡張機能を用意しています。この拡張機能を使えば、Creo を直接、Materialise ライブラリの金属プリンターに接続可能です。これにより、データ修正と造形準備を効率化するソフトウェア「Materialise Magics」を使用し金属サポート構造を自動生成できるようになります。
3D プリンターによる金属積層造形技術の活用事例
事例 1
テクニオン・イスラエル工科大学は、無人機 (UAV) 用のマイクロジェットエンジンの付加製造を実現しました。レーザー粉末床溶融結合方式 (LPBF) により組み上がった状態で造形されたエンジンで、1 回のプリントで製造された 2 つの部品だけで構成されています。
このエンジンは、材料と重量を減らすために、Creo の高度な格子モデリングとジェネレーティブデザインを活用して設計されたものです。
事例 2
水素ガスタービンの早期商用化を狙う三菱重工業は、水素混焼率を高めるために、ノズルの本数を大幅に増やした「マルチクラスター」方式を考案しました。新燃焼器開発においては、発電機用のタービンの静翼を金属 3D プリンターで試作したほか、商用化した際の量産でも金属 3D プリンターの使用を検討中です。
事例 3
NASA の契約業者である Jacobs 社は、Creo を活用し、生命維持バックパックの設計を最適化しました。AI 設計機能であるジェネレーティブデザインを使用し、システム要件に基づいた最適な設計を自動生成しました。付加製造を含む製造プロセスと材料の組み合わせは数百通りに及びましたが、短期間で検討できました。
Jacobs 社の事例を詳しく見る
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本記事では付加製造 (AM) の課題を解決する Creo の機能に焦点を当てましたが、Creo が提供する設計効率化のメリットはこれだけではありません。本記事でも触れたジェネレーティブデザインやモデルベース定義 (MBD) はもちろん、マルチボディ設計やダイレクトモデリングなど、Creo のパワフルな機能を網羅的に解説したeBookをご用意しました。
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Creo なら Additive Manufacturing のための設計が可能に
Creo 導入によって、設計、最適化、検証、プリントチェックのすべてを単一の環境で実行できるようになります。「付加製造のための設計」が可能になるため、処理時間の短縮や、手作業とミスの削減が見込めます。プリントの準備が整えば、ファイルを 3D プリンターに直接送信するだけなので、ソフトウェアを切り替える手間もかかりません。
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本記事でご紹介した Creo の機能やパッケージについて、以下の記事でさらに詳しく解説しています。
【技術ブログ】3D CAD ソフト Creo パッケージ完全ガイド：コンカレントエンジニアリング/トップダウン設計、Ansys の最新解析、AI 設計機能まで
本記事でご紹介した各機能が、どの製品パッケージで利用できるのかご存じですか？ジェネレーティブデザインや金型設計、高度なシミュレーションなど、貴社の課題解決に最適なソリューションを見つけるために、各パッケージの特長とアップグレードのメリットを詳しく解説したこちらのガイドをぜひご活用ください。
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【設計者必見】クラウドにも対応。3D CAD「Creo」で設計を効率化する使い方と機能を徹底解説
本記事では、3D プリンター活用 (Additive Manufacturing) に焦点を当てて Creo の機能をご紹介しました。Creo は、このほかにもマルチボディ設計、シミュレーション、モデルベース定義 (MBD) など、設計業務全体を革新する多彩な機能を備えています。Creo の全体像と設計を効率化する使い方について、こちらの記事で網羅的に解説しています。
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