積層造形
3Dプリントされた車は可能か？ 新たな開発が答えを示す
3Dプリンティングは世界中のさまざまな産業の想像力を捉えてきました。付加製造（アディティブ・マニュファクチャリング）としても知られる3Dプリンティングは、我々の時代を定義する技術の一つと正当に呼ばれています。従来の製造技術とは対照的に、層状にほぼあらゆる形状の3Dオブジェクトを構築できる方法です。これを実現するために、同技術はコンピュータ支援設計（CAD）と金属、プラスチック、コンクリート、紙などの幅広い材料を活用します。
製造業者がグローバルにコストと時間を最適化するためにもたらす汎用性は、近い将来の指数的な採用を促す主要な候補となります。推計によれば、3Dプリンティング製品およびサービス市場の世界規模は、2020年の126億米ドルから2026年には372億米ドルへと成長すると予想されています。2030年までに、世界の付加製造および3Dプリンティング装置の数は280万台に達する可能性があります。
このような強い成長は、3Dプリンティングを事実上普遍的なものにするでしょう。したがって、誰もが問います：3Dプリンティングは、製造精度が極めて重視される自動車産業に適合できるでしょうか？ より直接的に言えば、車を3Dプリントすることは可能なのでしょうか？ 本稿では、今後のセグメントで可能性を検討します。
3Dプリンティングが5000億ドル規模の潜在市場である理由を知りたい方はここをクリックしてください。
東北大学のマルチマテリアル3Dプリンティング技術における画期的成果
大学の材料研究所・新産業創出ハッチャリーセンターは、最先端の成果を達成しました。研究者はマルチマテリアル3Dプリンティング技術を用いて、軽量かつ耐久性のある自動車部品を作成するプロセスを実証しました。
出典：東北大学
ここでは、マルチマテリアル3Dプリンティング技術の現象をより詳しく見ていきます。マルチマテリアル構造は、その名が示す通り、部品の最適な性能を実現するために異なる材料を戦略的に組み合わせます。さらに重要なのは、これらが3Dプリンティングによって作成できる点です。
この技術の登場について説明する際、東北大学の山中健太准教授は次のように述べました：
「マルチマテリアルは、プロセスの柔軟性から付加製造分野でホットトピックとなっています。」
しかし、同時に技術が抱える制限点にも言及しました。彼によれば：
「鋼とアルミニウムのような特定の金属組み合わせでは、異種金属界面で脆性の金属間化合物が形成されることがあります。したがって、材料は軽くなるものの、脆くなるという結果になります。」
この研究で最も関連性が高い点は、研究者が軽量でありながら強度を犠牲にしない鋼‑アルミニウム合金の製造というボトルネック解決に挑んだことです。
目的は、レーザーパウダーベッド融合（L‑PBF）という主要な金属3Dプリンティング技術を用いて達成されました。この技術はレーザーで金属粉末を選択的に溶融します。研究者はレーザー走査速度を上げることで、脆性金属間化合物（Al5Fe2やAl13Fe4など）の形成を大幅に抑制できることを発見しました。高速走査は非平衡凝固と呼ばれる現象を引き起こし、溶質分配が最小化され、材料内部の弱点が減少します。最終的な成果は、結合界面が強固な製品として現れました。
このインシチュ合金化メカニズムの価値を説明するにあたり、東北大学の尹承均助教授は次のように述べました：
「言い換えれば、計画なしに二つの金属をただ貼り付けても、くっつくとは限らないのです。」
東北大学の研究成果は技術的で高度に聞こえるかもしれませんが、自動車製造の応用分野に大きな示唆を与えます。要約すると、研究者は世界初のフルスケール自動車用マルチマテリアル部品（サスペンションタワー）をジオメトリを調整して試作しました。今後は、同様の結合課題を抱える他の金属組み合わせにも影響を与える可能性があります。
この研究は自動車産業に新たな視野を開く一方で、3Dプリンティングの自動車分野での利用は新しいものではありません。
3Dプリンティングが製造業の未来に統合されつつある様子を知りたい方はここをクリックしてください。
高速プロトタイプ作成と再設計部品のための3Dプリンティング
業界専門家は、3Dプリンティングはすでにプロトタイプ作成の迅速化、部品やコンポーネントの再設計、さらには代替までに利用されていると述べています。しかし、時間が経つにつれ、3Dプリンティングの利用は当初の領域を超えて、現在の車両における低量カスタマイズされた3Dプリントトリム部品の製造へと拡大しています。
ロバート・ウィリグ（SME、元Society of Manufacturing Engineers）のコメント： SME、元Society of Manufacturing Engineers：
「自動車産業が軽量化に焦点を当てたハイブリッドや電動車プラットフォームへと移行する中で、付加製造は非常に効果的です。なぜなら、効率的な設計を実現する手段を提供してくれるからです。」
かつては3つの部品が必要だったものが、3Dプリンティングにより単一部品に最適化でき、必要な箇所にだけ材料を配置して軽量かつ強靭、柔軟性を高めることが可能になりました。
ダラス・マーティン（トヨタ・モーターノースアメリカのアディティブ・マニュファクチャリング・エンジニア）のコメント： トヨタ・モーターノースアメリカ：
「ツールやジグの製造に3Dプリンティングを統合することで、生産ラインの効率と柔軟性が向上しました。」
この分野で行われた研究のレビューは、3Dプリンティングが設計の柔軟性向上、プロトタイピングの迅速化、廃棄物削減の効率化を通じて自動車産業を革命的に変える可能性があると示唆しています。これらは製造を軽量化することで実現できると研究者は指摘しています。
今後のセグメントでいくつかの先駆的企業を取り上げますが、研究者は持続可能でグリーンなソリューション、特にバッテリーシステムや電気自動車の進化において、AMのさらなる機会があると指摘しています。3Dプリンティングは、熱放散とバッテリー冷却を改善する耐熱バッテリーフィクスチャの生成に有用であり、固体電池の製造に有望な解決策と見なされています。
次のセグメントでは、著名な自動車メーカーが開発中の効果的なソリューション事例を紹介します。
1. トヨタ (TM )
2024年7月、トヨタは3Dプリント部品を搭載したハイパーFコンセプトカーを発表しました。トヨタはTCD Asia（Toyota Customizing & Development）を通じ、さまざまなトヨタモデル向けの車両アクセサリ製造に関与しており、3Dプリント部品と最先端素材を使用した高性能SUVコンセプトを披露しました。これは日本の三井化学とARRK株式会社との協業により実現しました。
報道によれば、トヨタのハイパーFコンセプトカーはトヨタ・フォーチュナーをベースに、TCD Asiaが開発しました。三井化学の高度な技術を活用し、トヨタはプラスチック粒子（ペレット）を用いた3Dプリンティングで低コストかつ短期間で部品を製造し、開発期間と投資コストを削減しました。
同社はこれらの3Dプリント部品が特に安定しており、大型部品の印刷に適していると主張しています。ハイパーFコンセプトカーでは、フードエアダクトのパネルに3Dプリントコンポーネントが装着されています。
以前、トヨタはグローバル製品開発エンジニアリングのパートナーであるSolizeと協業し、オンデマンドで3Dスペアパーツを印刷するプロジェクトを展開しました。具体的には、トヨタはマルチジェットフュージョン方式で在庫部品を作成し、従来の部品と共に販売しました。HPがプリンターを提供しました。
自動車業界が3Dプリンティング活用に関心を示す中、HPジャパンのMDである岡戸伸樹は次のように述べました：
「日々、さまざまな産業で3Dプリントの適用が拡大し、特に自動車分野で成熟した活用例が増えています。トヨタ自動車株式会社のような大手自動車メーカーが、柔軟な設計、マーケット投入の迅速化、持続可能なインパクトを示しています。」
HP以外にも、トヨタはMaterialiseと協力して超軽量3Dプリントカーシートを開発したり、DSMと共同で自動車向けに最適な95℃の熱変形温度を持つ素材Somos Taurusを共同開発したりしています。また、トヨタはウォータールー大学に3Dプリンティング研究室を設置しています。
(TM
)
2024年5月、トヨタ自動車株式会社は2024会計年度（2023年4月1日～2024年3月31日）の報告書を公表し、売上高45,095,325百万円、営業利益5,352,934百万円を計上しました。
2. ゼネラル・モーターズ (GM )
2022年、世界で最も有名な自動車メーカーの一つが、プロトタイプや低量部品の枠を超えて3Dプリンティング（付加製造）を活用し始めたと報じられました。米国最大手自動車メーカーは、工場作業員向けにカスタムツールを印刷し、作業の安全性と生産性を向上させています。
ゼネラル・モーターズと3Dプリンティングの関係は、1989年にミシガン州ウォーレン・テックセンターキャンパスにシリアル番号「3」のステレオリソグラフィ機を導入したことに遡ります。
GMの産業向け付加製造の推進を担当するエンジニアリング・グループ・マネージャー、アリ・シャビール氏の言葉：
「技術や材料の強度、金属の入手可能性が本格的に軌道に乗り始めたとき、経営陣は『これは本格的に注目すべきだ』と言い、小規模チームを結成して何ができるかを探求するよう指示しました。」
2019年、GMはコール・エンジニアリング・センター内に4,000平方フィートのAdditive Innovation Lab（AIL）を開設しました。
アリ・シャビール氏によれば、このラボはGMの付加教育プログラムの王冠の宝石であり、従業員が付加造形の設計・設定・後処理を学べるDIYメーカーズスペース兼学習センターです。
GMが自動車業界で3Dプリンティングを成功裏に導入した例として、2020年に初代2020年型シボレーC8コルベットの非量産プロトタイプ（実際の量産車ではない）部品の75％を3Dプリントし、エンジニアが最終組立プロセスを検証し、生産上の課題を特定できました。
同年、コルベットC8.R、INDYCAR、NASCARカマロ、シルバラードレースチーム向けにレースシーズン用の付加部品を製造しました。
2021年、GKN Additive Forecast 3Dとの提携により、30,000台のシボレータホSUVを5週間で完成させるために、60,000個の柔軟な「スポイラクローズアウトシール」を3Dプリントしました。従来の射出成形では最大10週間かかる可能性がありました。
GMはまた、キャデラックCT4‑VおよびCT5‑Vブラックウィング車両に、2つのHVACダクトと電気ハーネスホルダーを含む3Dプリント部品を組み込みました。2022年10月には、金属付加製造を広範に活用した300,000ドルのキャデラックCELESTIQ EVを発表し、受注生産のカスタマイズを実現しました。
(GM
)
同社の2023会計年度（2023年12月31日終了）年次報告書によれば、GMは売上高1,718億ドル、株主帰属純利益101億ドル、EBIT調整後12.4億ドルを計上しました。
3. Daimler Truck
Daimler Truck Holding AGは、世界最大級の商用車メーカーの一つです。全世界に40以上の生産拠点と10万人以上の従業員を擁し、軽・中・重トラック、都市・長距離バス、コーチ、バスシャーシを提供しています。
同社は、革新的な3Dプリンティング技術から大きな恩恵を受けていると主張しています。約30年にわたる3Dプリントプロトタイプ構築の経験は、現在、シリーズ生産へと移行し、高品質基準を維持しています。3Dプリンティングを活用することで、Daimlerのバス部門は緊急の顧客要求に対し、カバーやハンドル、各種ブラケットなどの特注部品を迅速・柔軟・経済的・環境的に対応できます。
Daimlerの「3Dプリンティングコンピテンスセンター」は、2019年に30万点以上のバス部品を詳細に調査し、3Dプリント部品としての適合性を評価しました。同社は現在、完全な付加製造ソリューション部門を有し、調達時間を最大80％短縮、7,000件以上の潜在的3Dプリント部品を特定、400件以上の承認済みスペアパーツのポートフォリオを構築しました。
Daimler BusesのAdditive Manufacturing担当部門長であるラルフ・アンデルホフシュタット氏は、「技術の価値はバリューチェーン全体にわたり段階的に明らかになってきました。」と述べ、同社のビジネスと顧客に対する機会は、コスト削減から新たなビジネスモデルまで多岐にわたると語っています。
2023年、Daimler Truckは55,890百万ユーロの売上高を記録し、2022年の50,945百万ユーロから大幅に増加しました。
将来展望
3Dプリンティングが将来的に自動車製造を完全に支配するかどうかについては、依然として意見が分かれています。ロバート・ウィリグ（SME、元Society of Manufacturing Engineers）の見解では、「プリンター以外の何もない巨大工場は現れないかもしれません。」
しかし、Divergent Technologiesの共同創業者兼COOであるルーク・チンガーは、現在メルセデス・ベンツ、アストン・マーティン、ブガッティ、マクラーレンを含む6社と協業し、主にサスペンションやブレース部品の3Dプリントに取り組んでおり、3Dプリント素材の特性が電気自動車の性能向上に寄与できると述べています。
「EVのストーリーは航続距離にとって魅力的です。シャーシ構造の質量を20％〜30％削減できれば、航続距離を伸ばすか、バッテリーパックサイズを縮小できます。特に低コストEVにとっては、これはビジネスの収益性にとって非常に重要です。また、持続可能性の観点でも、軽量車はタイヤ摩耗が減り、製造プロセスで使用するアルミニウムやCO₂も削減できます。」
– チンガー
研究者は、3Dプリンティングが自動車製造において強みを持つ理由として、余分な材料使用とそれに伴う無駄を排除できる点、長距離輸送や保管スペースが不要になる点を挙げ、環境への影響を大幅に低減できると考えています。
要約すると、これは有望な持続可能な製造手法です。ただし、実用化にはいくつかのボトルネックを克服する必要があります。例えば、製品品質管理の確保、過剰な後処理の排除、製造量の向上、標準化の欠如への対処が求められます。
自動車産業における3Dプリンティングの成功的な適用には、標準化されたプロセスと材料が必要です。 標準化が進まないと、異なる3Dプリンターやソフトウェア間の相互運用性が阻害され、同一プロセスパラメータ下でも同等の性能を実現することが困難になります。
