3Dプリンティングは工場の未来だ（今回は本当に）

産業革命の主な革新である工場は、専門的なプロセスを保護し、分業を強制するために建設された生産性の大聖堂です。

アダム・スミスは『国富論』の冒頭で彼らの役割を明らかにし、有名なピン工場の例を挙げてこう述べています。「私は小さな工場を見たことがある…そこにはたった10人の労働者しか雇用されておらず、そのうちの何人かは2つか3つの異なる作業を行っていた。[彼らは]1日に4万8千本以上のピンを作ることができた…個別に独立して…1人あたり20本、いやおそらく1本も作ることができなかっただろう。」

しかし、工場のメリットは限界を示唆している。工場は再プログラムできない。異なる製品を製造するには、工場は異なる機械を導入し、設備を刷新する必要がある。そのため、最初に出荷された製品は、その後の何百万年もの製造よりもはるかに高価になり、イノベーションは設備投資の必要性によって阻害され、決して迅速には進まない。さらに、多国籍企業は、商品を輸送・保管する必要があるため、専門化によってサプライチェーンと倉庫を世界中に展開せざるを得なくなる。

すべてが変わろうとしている。新たな産業革命のさなか、人類はこれまで不可能だった形状のものを、斬新な方法で生み出している。その技術は、かつてはブームだった3Dプリンティングだ。この夏、私はマサチューセッツ州バーリントンに拠点を置くスタートアップ企業、デスクトップ・メタルの本社を訪れ、製造業の未来を垣間見た。同社は金属部品を製造するプリンターを開発している。2016年に連続起業家のリック・フロップ氏と、エマニュエル・サックス氏（「3Dプリンティング」という用語を初めて考案した人物）を含むMIT教授4名によって共同設立されたデスクトップ・メタルは、クライナー・パーキンス、ゼネラル・エレクトリック、BMW、フォードなどの投資家から2億7,700万ドル以上を調達し、企業価値は10億ドルを超えている。（情報開示：私は、破綻したバッテリー会社A123システムズの創業者として最もよく知られているフロップ氏を10年以上知っている。）

Desktop Metalのマシンがなぜそれほど重要なのかを理解するには、「実現しなかった3Dプリンティング革命」を理解する必要がある。5年前、3Dプリンティングのアイデアは大いに盛り上がったが、実際の3Dプリンターは期待外れだった。ほとんどの消費者は3Dプリンターで作れるものを欲しがらず、メーカーは3Dプリンターでは全く作れないものを求めていたのだ。

趣味人やメイカーズムーブメントのメンバーは、通常数千ドルするデスクトップ3Dプリンターを使って、デジタルデザインからプラスチック部品を印刷する。MakerBotのReplicatorのようなマシンはポリマーを加熱し、プリンターのノズルから材料を噴出させる。しかし、3Dプリントされたポリマーは見た目が粗く、未完成で、安っぽいため、主にプロトタイプに適している。一方、GEのような先進的なメーカーは、100万ドル以上もする巨大なプリンターを使い、限られた数の高価値部品を製造している。彼らの「付加製造」マシンは、レーザーや電子ビームを使って金属粉末を複雑な形状に融合させる。しかし、このプロセスで3,500万ドルのジェットエンジンのノズルを製造できる一方で、処理速度が遅く、コストが高く、危険でもある。（通常、付加製造マシンは粉末を真空中で溶かす必要がある。融合する金属は酸素と混ざると爆発するからである。）

3Dプリンティングは製造業を一変させる可能性を秘めている。しかし、企業が製造するほぼすべての製品 ― 携帯電話ケースからプロペラ、ドリルまで ― は、こうした安っぽい装飾品とジェットエンジンの中間に位置し、多くの場合、金属、あるいは金属と他の素材の複合材料で作られている。デスクトップ・メタルは、1兆ドル以上の市場規模を持つ金属加工の巨大な中間市場に参入したいと考えている。同社のCEOであるフロップ氏は、「3Dプリンティングが登場した最初の20年間は、技術が遅すぎて高価だったため、主に試作に使われていました。今日、3Dプリンティングはようやく大量生産に利用され始めています」と述べている。3Dプラスチックプリンティングや積層造形事業の数は増加しているが、現時点ではデスクトップ・メタルが3D金属プリンティングに特化している唯一の企業であり、その評価額は同社が保有する知的財産を反映している。

金属を印刷するのは難しい。デスクトップ3Dプリンターがポリマーを噴射するように、機械で溶融金属を押し出すことはできない。機械は数千度以上の高温で動作させる必要があるからだ。フロップ氏は、同社の6万平方フィート（約5,600平方メートル）のハンガーのようなスペースを案内しながら、デスクトップ・メタルの革新的な技術について説明してくれた。ガラスのキャビネットの後ろで3Dプリンターが静かに金属部品を回転させ、エンジニアたちは設計図やコードに眉をひそめて見入っていた。

同社の機械は、「バインダージェットプリンティング」と呼ばれる技術を採用しています。これは、1989年にエリー・サックス氏が3Dプリンティングに関する最初の特許の一つとして初めて提案したもので、金属粉末と結合ポリマーを混合します。ポリマーが硬化した後、オーブンでポリマーを焼き尽くし、「焼結」と呼ばれる段階で金属を融合させます。

3D金属プリントが現在では実用化されているのに、1989年には実用化されていなかった理由を問われると、サックス氏は、材料価格が下がり、技術が成熟したためだと推測する。「これには超高速インクジェットプリントや、このプロセスに不可欠な焼結技術などが含まれます」。しかし、サックス氏は、そもそもその可能性に誰も気づいていなかったと考えている。「そもそも金属部品をプリントしたいという人に対して懐疑的な意見がありました。人々は頷くものの、口元には薄笑いが浮かんでいたのです」

Desktop Metalは2種類のマシンを販売する。1つは金属プロトタイプを製作できるデスクトップ型の「Studio」で、もう1つは75万ドルの産業用「Production」システム。こちらは量産が可能な初の金属3Dプリンターとなる。Studioシステムは、ノズルから金属粉末とポリマーバインダーを混ぜて押し出し、3次元物体を形成する。Productionシステムは、デジタルファイルで指示されたパターンで金属粉末を散布し、「シングルパスジェッティング」でバインダーを堆積させる。各層の厚さはわずか50マイクロメートル。このプロセスは、レーザーベースの積層造形マシンに比べて100倍高速で、80パーセントも安価だ。GEのマシンは1日に複雑な形状の油圧マニホールドを12個製作できるが、同じ時間にDesktop Metalは546個を製造できる。

Desktop Metalは、同社のProductionシステムを2019年後半に一般提供開始予定だが、まずは同社が「パイオニア」と呼ぶメーカー、つまりフォードやミルウォーキー・ツール・コーポレーションといった企業に出荷する予定だ。これらの企業は、3Dプリントが従来の製造方法や積層造形（少なくとも特定の部品に関しては）よりも安価で、高速で、柔軟性が高いかどうかを模索している。Googleやメドトロニックといった企業は、今後数年以内に販売するデバイスの設計と試作のために既にStudioを購入している。

結局のところ、金属加工のデジタル化とは何か、なぜ気にする必要があるのでしょうか。工場の主な利点の一つは、異なる種類の生産プロセスを同じ場所に配置できることです。各段階は互いに大きく相互依存しており、綿密な物理的調整が必要です。しかし、フロップ氏は、彼の3D金属プリンターがこれらの古い前提を覆すと考えています。組み立てラインは統合され、サプライチェーンは短縮され、大量生産はカスタマイズされるでしょう。「今日、企業はエンジンをある場所で作り、医療用画像機器を別の場所で作っているかもしれません。今世紀半ばまでには、メーカーはどちらの場所で各製品を製造し、ほとんどの部品を印刷して最終組み立てを現地で行うことで、現地市場に適応できるようになるでしょう。」部品の数に関係なく印刷コストは変わらないため、製造におけるイノベーションはより安価で迅速になるでしょう。

Desktop Metal 社は、この革新性を解き放つために、進化的アルゴリズムによって馴染みのある部品から新しい形状を生成できるジェネレーティブデザインプログラムを開発しています。私は、同社のデザイナーであるアンディロバーツが車のペダルのパラメータを入力する後ろに立ち、ワークステーションの画面上に奇妙に有機的なオブジェクトが成長するのを見ていました。それは、物理的に必要とされる場所にのみ金属が存在する繊細な格子でした。デザインが完了すると、ペダルはエイリアンの軟骨のように見えました。私は、発明家がジェネレーティブプログラムとバインダージェットプリンティングを使用して、3D プリンターでのみ作成できる形状の製品を設計、テスト、製造する未来を想像しました。これらのテクノロジーを組み合わせることで、企業は芸術の複雑さや生物学の幾何学的形状を備えた金属または複合材オブジェクト、新しい機能と特性を持つ部品を製造できるようになります。

2050年になっても工場は存在するだろう。人々が特定の製品を製造する機械を操作する建物だ。安価で大量生産可能な3Dプリンターが普及した世界の経済構造を完全に想像するのは難しい。しかし、いくつかの推測は可能だ。機械工よりもデザイナーの方が高く評価されるようになるだろう。製品は地域のニーズや嗜好に合わせて調整され、有機的な外観になるだろう。倉庫は減少するだろう。工場自体はより多く、より小さく、そしてほとんどが薄暗く、そこで稼働する機械は高度な技術を持つギルドによって静かに管理されるだろう。

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