デジタル製造

デジタル製造とは、コンピュータシステムを中心とした製造への統合アプローチです。^{[1] [要出典]}製造工場のコンピュータシステムの量と質の向上に伴い、デジタル製造への移行が一般的になってきました。製造工場で使用される自動化ツールが増えるにつれて、製造プロセスを最適化するために、すべての機械、ツール、入力材料をモデル化、シミュレーション、分析することが必要になりました。^{[2]全体として、デジタル製造は、}コンピュータ統合製造(CIM)、フレキシブル製造、リーン製造、製造性を考慮した設計(DFM)と同じ目標を共有していると見ることができます。主な違いは、デジタル製造はコンピュータ化された世界での使用のために進化したことです。

Manufacturing USAの一環として、議会と米国国防総省は、これらのデジタル ツールの導入を加速するために、国のデジタル製造機関である MxD (Manufacturing x Digital) を設立しました。

製造エンジニアは、3D モデリングソフトウェアを使用して、目的の用途に必要なツールや機械を設計します。このソフトウェアを使用すると、工場のフロア レイアウトと生産フローを設計できます。この技術により、エンジニアは現在の製造プロセスを分析し、生産を開始する前に生産効率を高める方法を探すことができます。

シミュレーションは、システムの動作をモデル化してテストするために使用できます。また、シミュレーションは、システムの変更がそのシステムのパフォーマンスにどのように影響するかをテストするための、安価で高速かつ安全な分析ツールをエンジニアに提供します。^[3]

これらのモデルは以下のように分類できる。^[3]

• 静的 - ある時点における方程式のシステム
• 動的 - 時間を変数として組み込んだ方程式のシステム
• 連続 - 時間が直線的に経過する動的モデル
• 離散的 - 時間がチャンクに分割される動的モデル
• 決定論的 - 与えられた入力ごとに一意の解が生成されるモデル
• 確率的 - 確率パラメータを利用してソリューションが生成されるモデル

シミュレーションの応用分野は以下の通りである: ^[3]

• 製品設計（例：バーチャルリアリティ）
• プロセス設計（例：製造プロセスの設計支援）
• エンタープライズリソースプランニング

デジタル製造システムには、時間とコストを削減し、ほとんどのプロセスの効率を向上させるための最適化機能が組み込まれていることがよくあります。これらのシステムは、フロアスケジュール、生産計画、意思決定の最適化を改善します。システムは、製造システムにおける逸脱や問題などの生産からのフィードバックを分析し、それらを処理するためのソリューションを生成します。^[4]

さらに、多くの技術では、シミュレーションからのデータを分析して、実際に建設する前に最適な設計を計算します。^[5]

このようなシステムが製造業の労働力に与える影響については議論が続いています。計量経済モデルによれば、新たに導入されたロボット1台につき、平均1.6人の製造業労働者が置き換えられます。また、これらのモデルは、2030年までに世界中で2,000万もの製造業の雇用がロボット化によって失われる可能性があると予測しています。^[6]

しかし、他の研究では、雇用喪失ではなくスキルギャップの証拠が見つかりました。^[7]デジタル製造業は、「協働ロボット技術者」や「予知保全システムスペシャリスト」のような役割など、データ中心の製造業の何百もの新しい仕事を生み出していますが、それらを埋めるのに必要なスキルと訓練を受けた労働者が十分にいません。^[8]

デジタル製造にはさまざまなツールプロセスが利用されます。ただし、すべてのデジタル製造プロセスには、コンピューター数値制御マシン ( CNC ) の使用が含まれます。このテクノロジーは、大量生産と柔軟性を実現するだけでなく、CAD モデルと製造をリンクするため、デジタル製造において非常に重要です。^[9] CNC ツールには、付加的および減算的な 2 つの主要なカテゴリがあります。付加的製造は最近大きな進歩を遂げ、デジタル製造の最前線にあります。これらのプロセスにより、機械は部品の形状の複雑さに関係なく、部品のあらゆる要素に対応できます。^[4]

• ステレオリソグラフィー -このプロセスでは、フォトポリマーの層を紫外線で固めて固体部品を形成します。このプロセスでは、さまざまなアクリルやエポキシが使用されます。^[10]
• インクジェット処理-最も広く使用されているインクジェット処理は紙への印刷に使用されていますが、エンジニアリングに適用されるものも多数あります。この処理では、プリントヘッドが充填粉末に液体材料の層を目的の物体の形状で堆積します。粉末が飽和した後、物体が構築されるまで、新しい粉末の層が継続的に追加されます。あまり知られていない別の材料ドロップ堆積処理では、構築材料とサポート材料を使用して 3D モデルを作成します。構築材料は熱可塑性プラスチックで、サポート材料はワックスです。ワックスは、層状モデルが印刷された後に溶けます。別の同様の技術では、(DBM) ドロップレットベースの製造を使用して、5 軸ドロップポジショニングでサポートなしで熱可塑性モデルを構築します ^[11]
• レーザー焼結および融合-このプロセスでは、赤外線レーザーによって生成された熱を利用して粉末材料を結合し、固体の形状を形成します。
• ソリッドグラウンド硬化 -液体フォトポリマーの層がプラットフォーム上に広げられます。光学マスクが生成され、ポリマーの上に配置されます。UV ランプは、マスクによってブロックされていない樹脂を硬化させます。残っている液体はすべて除去され、空隙はワックスで埋められます。液体樹脂は、生成されたばかりの層上に広げられ、プロセスが繰り返されます。パーツが完成すると、ワックスは空隙から溶け出します。
• 積層物製造 - シート材料をプラットフォーム上に置いて、レーザーで希望の輪郭をカットします。プラットフォームをシート1枚分下げ、2枚のシートの間に熱接着剤の層を挟んだ新しいシートを置きます。加熱ローラーでシートを押さえ、接着剤を活性化します。レーザーでこの層の輪郭をカットし、このプロセスを繰り返す。部品が完成したら、部品の周囲に残ったシート材料を取り除く必要があります。最終部品はシーラントでコーティングされます。^[10]
• 溶融フィラメント製造法- FFFは3Dプリントの最も一般的な形式です。熱可塑性材料は凝固点をわずかに超えるまで加熱され、希望の形状でプラットフォーム上に押し出されます。プラットフォームが下げられ、次の層が前の層の上に押し出されます。部品が完成するまでこのプロセスが繰り返されます。^[10]

• ウォーター ジェット切断 -ウォーター ジェット カッターは、研磨材を混ぜた高圧水流を使用して、さまざまな種類の材料から形状やパターンを切り出す CNC ツールです。
• フライス加工 - CNC フライス加工では、回転切削工具を使用して材料を材料から削り取ります。フライス加工は、ほとんどの金属、多くのプラスチック、およびあらゆる種類の木材に対して実行できます。
• 旋盤 - CNC 旋盤は、固定された切削工具を材料に接触させながらワークピースを回転させて材料を除去します。
• レーザー切断 -レーザー カッターは、集束レーザー ビームを使用してシート材料を切断および彫刻する CNC ツールです。切断はプラスチック、木材、およびより高出力の機械、金属で行うことができます。最近では、手頃な価格の CO ₂レーザー カッターが愛好家の間で人気になっています。

• 部品製造プロセスの最適化。これは、仮想かつ制御された環境内で手順を変更および/または作成することによって実行できます。これにより、新しいロボットまたは自動化システムの使用を、物理的に実装する前に製造手順でテストできます。^[2]
• デジタル製造では、製造プロセス全体を物理的に実装する前に仮想的に作成することができます。これにより、設計者は物理的な工場の構築に時間と費用を投資する前に、プロセスの結果を確認できます。^[2]
• 機械やツールのプロセスを変更することで生じる影響をリアルタイムで確認できます。これにより、製造プロセスの任意の時点で、任意の部品の分析情報を取得できます。^[2]

• 付加製造-付加製造とは、「3Dモデルデータから材料を結合して、通常は層ごとにオブジェクトを作成するプロセスです。」 ^[12]デジタル付加製造は高度に自動化されているため、工数と機械の使用量が減り、コストが削減されます。 ^[13]デジタル化されたオープンソースからのモデルデータを組み込むことで、製品を迅速かつ効率的に、安価に生産できます。 ^[14]
• ラピッド マニュファクチャリング -積層造形法と同様に、ラピッド マニュファクチャリングではデジタル モデルを使用して、形状が複雑で材料構成が不均一な製品を迅速に製造します。ラピッド マニュファクチャリングでは、デジタル情報プロセスだけでなく、デジタル物理プロセスも活用します。デジタル情報は、製品が完成するまで材料を層ごとに追加する物理プロセスを制御します。情報プロセスと物理プロセスの両方が、ラピッド マニュファクチャリングの設計の柔軟性、コストの低さ、効率性に不可欠です。^[15]

クラウドベースデザイン（CBD）とは、ソーシャルネットワークサイト、クラウドコンピューティング、その他のウェブテクノロジーを組み込んでクラウドデザインサービスを支援するモデルを指します。このタイプのシステムはクラウドコンピューティングベースで、モバイルデバイスからアクセスでき、複雑な情報を管理できる必要があります。Autodesk Fusion 360はCBDの一例です。^[16]

クラウドベース製造（CBM）とは、さまざまなリソースからのオープン情報へのアクセスを利用して再構成可能な生産ラインを開発し、効率を向上させ、コストを削減し、顧客ニーズへの対応を改善するモデルを指します。^[16]多くのオンライン製造プラットフォーム^[17]では、ユーザーが3DファイルをアップロードしてDFM分析や製造を行うことができます。

• 射出成形
• ラピッドプロトタイピング