3Dプリンタ vs 射出成形

3Dプリンタ AM技術 vs. 射出成形 比較の際の検討事項と メリット・デメリット eBook

AM技術とも呼ばれる3Dプリンタは、プラスチック部品の生産において、より確立された射出成 形プロセスと競合する製造プロセスだと考えられることがよくあります。確かに用途によっては AM技術が優位となる場合もあるため、こういう考え方もあるかもしれません。これは、工業用3D プリンタの技術と材料が、より効率的かつコスト効率よく大量の部品を生産できる生産プロセス に進化し続けているためです。ある程度の競合は技術を進化させるうえでよいことだといえるで しょう。しかし、すべての部分を競合対象とみなす必要はありません。なぜなら、これら2つの製造 プロセスは相互に補完できる部分があるからです。また、現実的に考えた場合、何十万という大 量のプラスチック部品を扱うとなると、3Dプリンタはまだ射出成形には及びません。 3Dプリンタは、製品開発の開発段階において不可欠なツールとして長い間受け入れられてきま した。設計の迅速な反復とエンジニアリング上の的確な意思決定が可能になるためです。ですが 未だに開発段階のプロトタイピングツールとしてのみ利用する製造チームがほとんどです。 そのため、他の効果的な使い道が見落とされてしまっています。とくに近年、3Dプリンタ技術は、 機能と容量の両面で目覚ましい進化を遂げており、少量/中量生産用途や多品種・小ロット生産 （HMLV）用途の場合、射出成形と変わらない精度を出せることや、金型を3Dプリンタで製造す ることで射出成形をより効果的に行えることもあります。 本書の目的は、3Dプリンタと射出成形両方のプロセスの範囲、および生産におけるメリット・デメ リット、そして両プロセスが相互に補完し合えるケースを検討することです。 2 eBook 第1章

製造業を取り巻く状況 まず、世界の製造業という大きな枠組みの中で、 【3Dプリンタ】 これらの各製造プロセスの状況を簡単に見てみ AM技術分野の価値にも、同様 ましょう。製造業全体については、ある情報筋によ のばらつきがあります。こちら ると、2022年の世界の製造業の生産額は44兆5 の分野については、Research 千億ドルであり、2023年には44兆3千億ドルに減 & Markets社はそれほど控えめ 少すると予測されています（パンデミック後の問 な数字でなく、「AM技術とその 題やロシアのウクライナ侵攻の影響という裏付 材料の世界市場は404億ドルと けのある事実に基づく）。これらの数字はあくま 推定され、2030年までに1,966 でも参考にすぎませんが、今後の傾向を知るのに 億ドルの規模に達し、分析期間 役立ちます。 にわたり21.9%のCAGRで成 長すると予測されます。プラス 【射出成型】 チックは、22.3%のCAGRを記録し、分析期間の 【今後の展望】 終わりまでに1,182億ドルに達すると予測されま GM Insights社は、「射出成形プラスチック市場 中央値（射出成形が2,430億ドル、AM技術が269 す。」としています。 の売上高は、2022年に3千億ドル以上であり、 億5千万ドル）で考えた場合、現時点で射出成形 2023年から2032年にかけて、この業界は3.5% MarketWatch社のより最近のレポートでは、 分野がAM技術分野のほぼ10倍の規模であるこ の年平均成長率（CAGR）で成長することが予想 「AM技術とその材料の世界市場は160億7千万 とが明らかになります。しかし、各サブセクタの成 される」としています。 ドルと評価され、予測期間中に25.7%のCAGRを 長率に関する予測が正確であれば、AM技術は今 記録することが予想される」としています。 後10年ほどでその差を大幅に縮めることになり これは、「世界の射出成形プラスチックの市場規 模は2,870億ドルを誇ると評価され、2030年まで 一方で、SmarTech Analysis社が最近発表した ます。また、射出成形分野の数字はプラスチック に4.2%のCAGRで拡大することが予想される」と レポートでは、AM技術業界は23%の成長率で のみに焦点を当てているのに対し、AM技術の数 するGrand View Research社の分析とも一致し 135億ドルになったと控えめな数値を示しつつ 字にはすべての種類の材料が含まれているため、 ています。 も、2025年までには250億ドルに成長することが 本書の範囲において、その差は一見するよりも大 予測されています。 きいものであることも考慮する必要があるでしょ 一方でResearch & Markets社の最近のレポー う。 トでは、より控えめな分析結果が提示されており、 また、最新のWohlers Reportでは「AM技術業界 「世界の射出成形市場は1,877億ドルと評価さ の成長率は19.5%である」という力強い数値が示 れると推定される」とあります。ただし、Research され、現在のこの分野を180億ドルと評価してお & Markets社はこの数値が現時点での推測に過 り、大きな成長を見込んでいます。 ぎないとしています。 3 eBook 第1章

射出成形と AM技術の比較 射出成形は、プラスチックの製品や部品を製造す プラスチック製品メーカーでは、工業用3Dプリン のメリットを提供します。そしてこの柔軟性を活か るための主要なプロセスです。これは、厳しい公差 タ技術が生産の代替手段となる機会がますます して、生産工程前または生産工程の段階におい （通常50～100ミクロン）と滑らかな表面仕上げ 増えており、中には非常に優れた表面仕上げと公 て、あるいは次の世代の製品に向けて、低コスト が求められる同型部品の大量生産に広く使用さ 差（通常は50～300ミクロン）を実現できる事例 で設計の反復作業を行うことができます。 れています。大量生産の場合、費用対効果が高く もあります。3Dプリンタは、形状の複雑化と部品 正確で再現性のあるプロセスであり、幅広い材料 統合の両方の観点から、これまでにない柔軟性を での大規模連続生産において高品質の部品が得 設計工程で提供しつつ治工具などのツールが必 られます。 要ないため、射出成形による工程に比べて数多く 4 eBook 第1章

検討事項 もし製造チームが、射出成形か、3Dプリンタを使 ことはすでに認知されており、大きなメリットの1 いるのでしょうか？ 用するべきかを検討しているのであれば、以下の つです。工業用3Dプリンタシステムで格子構造、 製品の少量生産、中量生産、大量生産を具体的に 項目をまずは検討してみるのが良いかもしれま 内部導管、張出し、厚肉/補強構造、空洞部分な 数値化するのは簡単なことではありません。状況 せん。 ど、射出成形では難しい複雑な形状を造形できる の定義方法や業種、分野内での用途、製造プロセ 事例は多くあります。 スなどによって、それらは変わってくるからです。 1. 部品はどの程度単純または複雑ですか？ この機能により、設計者は軽量化、人間工学に基 づいた機能の組み込み、ロゴや部品IDの追加な これは製造プロセスの選択を考えるうえで、大き ど、さまざまな利点を得ることができます。 な目安になる一つの方法です。 部品のサイズも、その製造方法を決定する上で の基本的な問題です。射出成形と3Dプリンタ - 単純な部品には射出成形 はどちらも、小規模から中規模の部品で最適な - 複雑な部品には3Dプリンタ 効果を発揮します。3Dプリンタの場合、造形ボ リュームが制約となります。ただし、大型部品で 実際はこれほど単純ではありません。 あっても、小さな部分に分けて造形し、造形後に 射出成形が単純な設計や肉厚が一定の部品に 組み立てる方法を取ることで対応できます。射出 特に適しているのは事実です。そうは言っても、 成形の場合も、機械のサイズによって部品のサ 射出成形は複雑さを排除するものではなく、アン イズが制限されることがありますが、金型を複数 ダーカットのある部品や形状が複雑な部品に対 のピースで作成して、後で組み立てることができ 応できます。ただし、部品の複雑さが増すのに伴 る部品を製造できます。どちらのプロセスも大型 い、部品の射出成形に必要な金型の複雑さも増 製品に対応できますが、後工程で必要となる追加 すため、コストがかかります。これにより、高額な の組み立て作業と多大な時間やコストというデメ 初期費用が発生します。一方、金型の準備さえ整 リットが伴います。 えば、製造場所ですぐに生産を開始できます。 ただし、射出成形では複雑すぎると、コストが法外 2. 部品の生産個数 に高額になる可能性があります。コストがさらに 射出成形は、長年にわたり、大量の製品、そして非 高まって限界に達すると、結局それがネックとな 常に大量の製品に対して非常に費用対効果が高 り、製造が不可能になることもあります。 いことが実証されています。 射出成形ではコストが高すぎる、または不可能な このレベルでは、3Dプリンタが太刀打ちできませ 部品を、3Dプリンタで製造できる可能性が高い ん。しかし、「このレベル」とは正確には何を指して 5 eBook 第1章

多数の情報源と多少の共通認識を基に、一般的 件に関する考慮事項につながります。 ります。 な境界を以下に示します。 少量生産：部品が1,000個未満 2a. 部品は一度にすべて必要ですか、それとも数 3. 部品あたりのコスト か月/数年にわたって必要ですか？ 中量生産：部品が1,000～100,000個 これは非常に大きな問題であり、おそらく最も重 複雑さが中程度の小型部品の一般的な例を見て 要なものです。 量産：部品が100,000個超 みましょう。1回の生産で大量（10万個超）に製造 3Dプリンタプロセスの大きな利点の1つは、工具 する必要のある部品である場合、3Dプリンタより 不要のプロセスであることです。射出成形用の金 も射出成形のほうが適しています。ただし、類似 型の製造にはコストと時間がかかり、そのすべて DLPなどの技術により、 生産可能な部品の量が の製品を長期間にわたって中量生産するための 増加 が事前に発生します。ここに重要なポイントがあ 迅速なアプローチが必要である場合には、3Dプ PBF技術は、AM技術 ります。射出成形には、生産を行うためには、各部 による中量生産用途で リンタが、オンデマンド生産を行って在庫数を大 3Dプリンタ クラス最高の部品あた 品ごとに多額の先行投資が必要となります。設計 りのコストを実現 幅に削減するための選択肢となります。 変更などの修正が入れば、改めて費用が発生しま す。 たとえば、これらの部品を12か月間に6万個必要 射出成形 である場合、射出成形を使用して1回で生産する 3Dプリンタの場合、3Dプリンタ本体の費用は発 ことも、3Dプリンタを使用して月に5千個の部品 生しますが、部品ごとには発生しません。3Dデー 上の図は、3Dプリンタと射出成形の一般的なコス を連続して（または必要に応じて）生産することも タを修正することで細かい設計変更にも追加費 ト曲線です。x軸は部品数、y軸は部品あたりのコ できます。 用なしで対応できます。3Dプリンタを購入しない ストです。x軸方向に見て交点以降は、射出成形 で、サービスビューローを利用するという選択肢 の方が費用対効果が高くなります。この図で数字 もあります。 を示していないのは、交点の数字がこの10年間 2b. いつ、どこで部品が必要ですか？ で大きく変化しており、交点が曲線の下の方に移 この質問は、部品の生産場所や流通方法という観 動し続けているためです。繰り返しになりますが、 点から考慮するべきことになります。3Dプリンタ 3Dプリンタの処理能力と容量は、用途に常に依 はデジタルプロセスであるため、（射出成形の性 存するものの、向上し続けています。3Dプリンタ 質上必要となるように）6万個の部品を1箇所で が何万ものプラスチック製品の小規模生産工程 生産して全世界に販売するのではなく、必要な場 で使用される状況も、現在では珍しくなくなりま 所で必要な数だけ部品を生産できます。これは、 した。たとえば、歯科、医療、一般製造（筐体や固 輸送コストを大幅に削減するため、コスト面でも 定具など）の分野で見られます。 大きなメリットがあると同時に、環境面でもプラ スの影響があります。また、このように生産を現 これはコスト、物流、そしてもちろん持続可能性 地化し、市場や顧客の近くで生産することで、サ に大きな影響を与える可能性のある製造量の要 プライチェーンのリスクを軽減することにつなが 6 eBook 第1章

ここでは生産量が重要になります。大量生産の場 なります。3Dプリンタでは、コストは1個目の部品 下の図は、いくつかの特定の部品の価格比較の 合、射出成形の部品あたりのコストに関するROI から20,000個目以上の部品まで均一になります 概要と、SAF技術を搭載した3Dプリンタが優位に は劇的に抑えられる可能性があるためです。金 （生産量に関する項に示した図は、この点も示し なる場合と方法を示しています。 型のコストは一定であるため、金型から生産され ています）。 る部品数が多いほど、部品あたりのコストは低く 部品コスト比較 - 射出成形とSAF 部品名 寸法[mm] 外部委託の部品あたりの SAF H350の部品 削減率 損益分岐点総生産量 造形あたりの 射出成形コスト[$] あたりのコスト[$] 最大部品数 ケーブルクリップ 15x17×49 $ 2.35 ガイド 5,000個/年 $ 2.19 7% 19,900個 1,020 ブラケット 60×55×55 $9.40 500個/年 $4.10 56% 6,536個 171 電子コネクタ 80×80×52 $ 119.48 50個/年 $30.61 74% 820個 30 部品あたりのコストの計算式には、考慮すべき多 大きなメリットをもたらすことができ、射出成形が 5. 材料 くの要因があります。明らかなものとしては、生 限定的となり得るもう一つの領域です。3Dプリン 工業生産技術では、選択した用途に適した特性を 産活動自体（機械、エネルギー、材料費、人件費、 タ技術を使用した製造により、継続的で反復的な 提供するポリマー材料が利用できる必要があり 後処理など）です。しかし、販売、出荷、現場保管、 アプローチが可能になります。コストをほとんど、 ます。最も広く使用されているポリマー材料は、 倉庫保管という付加的な考慮事項もあります。 時にはまったく伴うことなく、いつでも変更を加 PA 11、PA12といった熱可塑性プラスチック、ガ えることができます。特定の製品または部品のた ラス繊維配合またはカーボン配合のナイロン、 めの金型を発注した場合、大体が石で、あるいは 4. 反復 フォトポリマー、熱硬化性樹脂など、3Dプリンタプ 少なくとも鋼で作られるため、変更することほぼ ロセスでも利用できます。 注視する必要のある別の考慮事項が、製品の反 不可能であり、変更できても高いコストがかかり 復やそれに伴う設計変更があるかどうかです。こ ます。 れは継続的な生産において、3Dプリンタ技術が 7 eBook 第1章

3Dプリンタ向けの生産グレードの特殊材料が多 多くの高性能材料で機械的特性の向上に重点が このようなAM技術用の熱可塑性プラスチックお 数開発されていてもなお、射出成形で利用可能 置かれていますが、耐候性、ESD（静電放電）、FR よびフォトポリマー材料の進化過程は、かつて同 な何千もの選択肢と比較すると、3Dプリンタの （難燃性）、FST（可燃性、排煙度、有毒性）、低誘 様の状況にあった射出成形用の熱可塑性プラス 材料の選択肢はまだ少ないのが現状です。 電損失、食品との接触、医療グレードなど、新たな チックの進化と似ています。射出成形用の熱可塑 メーカーが製造用途における3Dプリンタの利点 機能が加えられ始めています。これら次世代の 性プラスチックは、基本的な材料パレットから始ま を発見し続けるにつれて、材料会社は、フォトポリ AM技術用材料は明らかに、特定の用途に特定の り、一つひとつの用途に特化することで成長を遂 マー熱硬化性樹脂とパウダーやフィラメント状の 機能を必要とする最終用途部品に対応すること げ、今日では広範な選択肢を提供しています。 熱可塑性プラスチックの両方を含む、より「機能 を目的としています。 的な」材料の開発に多額の投資を続けています。 この自動車HVACシステムのエアダクト部品はSAF™技術で造形されています。従 来、このような部品は2つの部分を成形してから組み立てられてきました。SAF技術 により、1つの部品として造形できるため、後工程の組み立て作業と破損の発生を減 らすことができます。 8 eBook 第1章

3Dプリンタにより、TE Connectivity社は、射出成形で は経済的に不可能な電気コネクタなどの部品を多品種・ 小ロットで製造できるようになりました。DLP技術は、射 出成形と同等の仕上げ、精度、品質を実現します。 必ずしも どちらか一方を選ぶ 必要はない お伝えしたいのは、3Dプリンタは、用途によって た、エンド・ツー・エンドの射出成形プロセスにおい ができます。さらに、金属AM技術システムの機能 射出成形に代わる実現可能かつ効率的で費用対 て、他の多くの主要な方法で重要な役割を果た により、特に複雑なマルチキャビティ金型が必要 効果の高い代替手段となる一方で、射出成形を すこともできます。プロトタイプは、形状、機能、お な場合、3Dプリンタを使用して金型自体を造形 サポートする役割を果たすこともできるというこ よび製造上の観点から部品を開発するためのも できます。現在、多くのAM技術システムで、金型 とです。これら2つの技術が交わっている、時間と のです。ただし、3Dプリンタはプロトタイピングだ の鋼材料や一部のより高度な金属材料などの使 コストを大幅に削減できる非常に有用な方法が けでなく、射出成形のブリッジツールとしての機 用が認められています。 あります。 能を果たすことができ、AM技術を使って迅速か 冒頭で、依然として3Dプリンタがプロトタイピン つ低コストで造形できる中間金型を使用して、最 グに不可欠なツールであるとお伝えしました。ま 終的な、はるかに高いコストの金型製作に着手す る前にプロセスの変更、最適化、テストを行うこと 9 eBook 第1章

この典型的な自動車用レインセンサーカバー は、H350™ 3Dプリンタで造形され、SAF™技 術で作成されました。この部品は、1,000個の 部品ベースで、射出成形と比較して部品あた りのコストが低くなっています。 最後に 3Dプリンタ技術は、機能と容量の両面において、 製造メーカーは、プレッシャーと競争の激化に直 プロトタイピングプロセスから製造プロセスに移 面しているため、常にコスト管理の方法を模索し ストラタシスお問い合わせ先 行したことが実証されています。これは、製造用 ていますが、本書の目的は、さまざまな選択肢を 途にとって重要な移行であり、用途によっては3D 検討することでこれを実現できる方法について info.jp@stratasys.com プリンタがより効率的で費用対効果の高いもの 情報を提供することです。少しでもお客さまのお TEL. 03-5542-0042 になる可能性があります。ただし、3Dプリンタは 役に立てれば幸いです。 現在も、プロトタイピングや治工具製作用途にお いて非常に有用なプロセスであることに変わり はありません。 10 eBook 第1章

株式会社 ストラタシス・ジャパン 東京本社 / ショールーム 大阪支店 / ショールーム 〒 104-0033 〒 540-6319 東京都中央区新川 1-16-3 大阪府大阪市中央区城見 1-3-7 住友不動産茅場町ビル 3F 松下 IMPビル 19F TEL. 03-5542-0042 TEL. 06-6943-7090 FAX. 03-5566-6360 FAX. 06-6943-7091 www.stratasys.co.jp ISO 9001:2015認証取得済 © 2024 Stratasys. All rights reserved. Stratasys、ストラタシス、Stratasys Signetのロゴ、Stratasys Direct Manufacturing、OriginおよびP3、H350、Hシリーズ、SAF、Selective Absorption Fusion、Big Wave、 ならびにHAFは、Stratasys Inc.および/またはその関連会社の商標または登録商標です。H350プリンタは、Loughborough University Enterprises LimitedおよびEvonik IP GmbHから、以下のおよび/または関連す る特許および特許申請ならびにこれらのファミリーメンバーに基づいて、ライセンス許諾されています。EP2739457、EP3539752、EP1648686、EP 1740367、EP1737646、EP1459871。関連企業の経営状況や現状 などの詳細については、https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/をご参照ください。その他の商標はすべて、各所有者に帰属します。ストラタシスは、これらのストラタシス製以外の製品の選択、パ フォーマンス、利用については一切責任を負いません。製品仕様は、予告なく変更されることがあります。eB_P3_SAF_Injection Molding_JP_0923a eBook