「工具製作」とは、部品の製造に必要な工具を設計し、開発する工程であり、初期の産業革命を支えた不可欠な技術だった。これにより、製造品の生産は人間の手から機械へと移り、蒸気機関のような複雑な機械発明の製造が可能になった。
機械がもたらす新たな規模の経済により、原材料は発展途上国から工業国へ運ばれ、費用対効果の高い製品は世界各地の国々へ送り返された。現代の世界貿易と関税の時代が始まった。
今日、私たちは原材料を生産し、部品を製造する工場へ世界中から輸送している。その部品は、製品の構成要素へと組み立てる別の工場に運ばれ、さらに複雑さを増す最終製品を作る工場へ、世界各地に輸送される。この工程は、第一産業革命の遺産である。
何十兆ドルもの資本が、いつでも船や飛行機に積まれ、何週間もかけて海を渡っている。ほぼすべての製品には、倉庫や税関施設をゆっくりと通過し、官僚によって関税や付加価値税（VAT）を課された部品や構成要素が含まれている。
この時代遅れの工程は、少しずつ変わり始めている。私たちは新たなS字カーブの始まりにいる。それは、ものづくりと貿易の方法を恒久的に進化させ、生産性の新時代を切り開くものだ。次のような企業が手がける新しい高速度産業用3Dプリンターの一群が Carbon、 HP、そして私が創業した Desktop Metalは、プリンターというより印刷機に近く、この変化を可能にし、第4次産業革命に不可欠な存在となりつつある。
これらの新しい機械は、鋳造などの従来技術より低コストで複雑な部品を印刷でき、プラスチック部品なら10万個で損益分岐点に達する。少量から中量生産のコストは、射出成形にかかるコストとほぼ同等だ。
この技術が成熟するにつれ、工程の損益分岐点は改善し、生産に国境がなくなる時代が可能になる。この新たなモデルでは、輸送するのは原材料だけで、世界各地の工場が、製品の最終組み立てに必要な部品を必要なときにデジタル印刷する。工具製作は不要となり、原材料も無駄にならない。部品が船や飛行機に積まれたままになることもなく、最終組み立てのために印刷が必要な場所へデジタルファイルとして送られる。
国境のないサプライチェーンがもたらす利点だけが、こうした新しい印刷機の導入を促す要因ではない。さらに3つの動機があり、いずれも製品を大幅に優れたものにする。
1. ジェネレーティブデザイン
こうした新しい印刷技術によって、さらに複雑な部品の製造が可能になる。2015年には、新たな種類のソフトウェアが登場し始めた。機械エンジニアが、部品を配置する場所や、部品に作用する外力の輪郭、避けるべき領域をコンピューターに指示できる、ジェネレーティブ設計ツールだ。概要要件を入力すると、AIを活用した高性能なクラウドコンピューター群が、複数の物理現象を考慮して部品を設計する。この柔軟なAI駆動型の設計アプローチはジェネレーティブデザインと呼ばれ、性能を損なうことなく、従来の部品より50％軽量になることも多い、完全に最適化された部品を生み出す。こうした極めて複雑な形状は自然界に似ており、3Dプリンティングでしか製造できない。新しい高速印刷機のおかげで、これまで製造不可能だった部品を、ついに費用対効果よく生産できるようになった。
2. 「削減による部品の簡素化」
「削減による部品の簡素化」とは、新しい製造技術を使って多くの部品を軽量化することで、製品内の可動部品全体もさらに軽くする工程を指す。例えば、車両を軽くすれば、ブレーキやショックアブソーバー、エンジンを小さくできる。ジェネレーティブデザインで製品を大幅に軽量化すれば、ほぼすべての要素に利点があり、その軽さを生かして部品をさらに簡素化できる。購入する材料が減り、最終製品が軽くなるため移動に必要なエネルギーも減るうえ、加速や制動をより速く行えるようになり、性能も向上する。
3. アセンブリーの統合
アセンブリーの統合は、3Dプリンティングによって可能になる、高度な設計技術を要するエンジニアリング手法である。製品内の複数の部品を一つの一体型の多機能部品にまとめる設計工程に基づく。これは新しい技術ではないが、工程の結果が極めて複雑な構造になるため、最終部品の製造には3Dプリンティングしか使えない。3Dプリンティングだけが、形状を完全に自由に設計できるため、多機能なマクロ構造を印刷できる。
この工程は企業のサプライチェーンに大きなデフレ効果をもたらし、大企業のコストを大幅に削減できる。実際、Optisysなどの企業は、この手法を使ってKaバンドアンテナの部品数を100個から1個に削減した一方、ゼネラル・エレクトリックはこの工程を効果的に活用し、ターボプロップエンジンのハウジングを855個の部品から、20個未満の多機能部品へと削減した。まったく新しい部品の検証工程では、データの収集と評価により多くの手間がかかるものの、サプライチェーンのコストは大幅に下がる。855個の部品を管理、認証、検証、認定するスタッフが不要になるためだ。
製造業における新たなS字カーブ
この革命は、デジタル写真や産業印刷で起きたことによく似ている。この10年で、オフセット印刷機はデジタル印刷機によって置き換えられた。デジタル製造部品のコストが従来の製造工程と同等になると、ほかにも導入を後押しする経済的要因がある。在庫（オンデマンド部品）も、工具製作も、輸送も不要になる。
こうした新しいデジタル製造技術により、生産を民主化できる。3Dプリンティングなら、幾何学的に複雑な設計を追加費用なしで製造でき、設計者は製造工程の制約から解放され、最適な形状を生み出せる。中小企業も世界各地で、世界の同業他社と同等かそれ以上に複雑な製品を製造できるようになる。
ガーナやブエノスアイレスの小さな企業も、コネチカット州の大企業と同じ品質の部品を印刷できるようになる。工具製作をなくし、部品1個のコストを10万個分と同程度に抑えられることで、製品の現地化が進み、設計変更も速くなる。最良の設計はデジタルデータとして世界中に送られ、必要に応じて印刷される。これにより、前回の産業革命以来、生産に課されてきた世界的な関税と付加価値税（VAT）の制度を回避できる。
世界では毎年12兆ドル相当の製品が製造されている。そのため、この技術を最大限活用できるよう世界の製造能力を近代化するには、何十年もかかるだろう。一つ確かなことがある。今世紀末に第4次産業革命がもたらした変化を振り返るとき、生産性、経済成長、繁栄を押し進めた重要な基盤技術の一つとして、3D印刷機による大量かつ国境のない生産が挙げられるだろう。
この記事は、ダボスでの議論をきっかけに、世界経済フォーラムのFuture of Productionの取り組みに関連して執筆された。
