それは非現実的なアイデアから始まりました。従来はプロトタイプの作成に使用されている3Dプリントを利用し、高品質の再生金属を使って、Appleの厳しいデザイン基準を満たす同一の筐体を何百万台も製造できたとしたら？
「それは単なる思いつきではなく、実現したい構想でした。私たちはこの問いが出るとすぐにテストを始めました。継続的な試作、プロセスの最適化、膨大な量のデータ収集により、このテクノロジーが私たちの求める高い品質基準を満たすことができると証明しなければなりませんでした」と、Appleのプロダクトデザイン担当バイスプレジデントであるケイト・バージェロンは述べています。
今年、Apple Watch Ultra 3とチタニウムのApple Watch Series 11のケースはすべて、100パーセント再生された、航空宇宙産業レベルのチタニウムの粉末を使用して3Dプリントで製造され、これまで大規模では実現可能と考えられていなかった成果を達成しました。Appleのすべてのチームが、共有する目標のもとに結束しました。Series 11の光沢のある鏡面仕上げは美しくなければなりません。Ultra 3は、日々冒険を楽しむ人たちのニーズに応えるために、その耐久性と軽量なフォルムを維持する必要がありました。また、どちらも性能に妥協することなく、地球にとってより良く、同等以上の品質の素材を使用しなければなりませんでした。
「Appleでは、すべてのチームが環境を基本理念の一つと考えています。3Dプリントは、Apple 2030の達成において不可欠となる材料の効率化につながる大きな可能性を秘めたテクノロジーである、と私たちは確信していました」と、Appleの環境およびサプライチェーンイノベーション担当バイスプレジデントであるサラ・チャンドラーは述べています。
Apple 2030は、製造サプライチェーンおよび製品のライフサイクルにわたる使用を含め、2030年までにApple全体のカーボンフットプリントにおいてカーボンニュートラルにするというAppleの野心的な目標です。すでにApple Watchの製造に使用する電力はすべて、風力や太陽光などの再生可能な資源から調達されています。
3Dプリントの積層加工プロセスを利用して、必要な最終形状にオブジェクトができるだけ近くなるまで、層を重ねてプリントしていきます。従来、鍛造部品の機械加工は除去加工で、材料の大部分を削り落とす必要があります。この移行によって、Ultra 3とチタニウムのSeries 11のケースに使用する原材料をこれまでの世代のわずか半分にすることが可能になります。
「50パーセントの減少は大きな成果です。1つのApple Watchに使用するのと同じ量の素材から2つのApple Watchを作り出しているということです。それをさかのぼって考えてみると、地球のために節約される量は膨大です」とチャンドラーは説明します。
Appleの推定によると、この新しいプロセスにより、今年だけで合計400トン以上のチタニウム原料が節約されます。
この10年間、Appleが3Dプリントのテストを続ける中で、その業界自体も急成長し始めていました。病院の研究室では、医師たちが、初めて3Dプリントで製作した人工装具や人工臓器を使用していました。また地球の大気圏の外でも、国際宇宙ステーションに滞在中の宇宙飛行士が3Dプリントで重要な工具をすばやく簡単に作れることを発見しました。
「このテクノロジーが成熟するのを長い間注視し、試作品が私たちの設計をより反映したものになるのを見てきました。より少ない材料で製品を作ることが常に目標でした。以前は、外装部品を3Dプリントで大規模に製造することはできませんでした。そこで、3Dプリントした金属を使って、外装部品を製造するためのテストを開始しました」と、AppleのApple WatchおよびVision製造設計担当シニアディレクターである、ジェイ・マンジュナタイア博士は述べています。
Appleにとって、機能性、美しさ、耐久性は最低限必要な条件です。そこに拡張性、厳格な信頼性試験、性能、さらには材料科学の革新も追加しながら、Appleが2030年に脱炭素化するという目標においても一切の遅れが出ないようにします。
上から見下ろすと、レゴの白い高層ビルのようなブロックの列が土台から突き出ており、休みなく回転しています。これらが、Apple Watch Ultra 3とSeries 11のチタニウムケースの製造で活躍する3Dプリンタです。
それぞれの機械は6つのレーザーを搭載したガルバノメーターを備えており、それらすべてが同時に稼働して900回以上も層を積み重ね、1つのケースを完成させます。しかしプリンタを稼働させる前に、チタニウム原料を粉末に微粒化する必要があります。この工程には、熱にさらされると爆発性を帯びるチタニウムの性質を低下させるための酸素含有量の微調整が含まれます。
「これは最先端の材料科学でした」とバージェロンは言います。
「この粉末は、非常に細かい砂のように直径50ミクロンでなければなりませんでした。酸素を含んでいるかどうかで、レーザーを照射した時の挙動が異なります。そのため、酸素含有量を低く抑える方法を見つけ出す必要がありました」とマンジュナタイアは説明します。
「どの層もちょうど60ミクロンになるように厚みを調整するには、この粉末を非常に精密に押さえて広げる必要があります。私たちは、これを拡張するために可能な限り早く進める一方で、正確であるために可能な限り慎重に進める必要もありました。これにより、設計に関する目標を達成しながら、効率的に進められました」とバージェロンは付け加えます。
プリンタの動作が完了すると、大まかな粉末除去と呼ばれる工程で、オペレーターがビルドプレートから余分な粉末を除去します。ビルドは筐体で必要とされるすべての連結部分が最終形状に近い形でプリントされるため、ケースの隅々に粉末が残ることがあります。精密な粉末除去の工程では、超音波ふるい機でこの残った粉末が確実に取り除かれるようにします。
分離工程では、電流を通した細いワイヤーが各ケースの間を切り離すのと同時に、切断工程による熱を抑えるために冷却液が噴射されます。次に自動光学検査システムが各ケースを計測し、寸法と外観が正確であるかをチェックします。これは、筐体が最終加工を行える状態であることを確認するための最後の品質検査です。
「機械系エンジニアは世界中で最もパズルを完成させるのに熟練した人たちに違いありません。回路基板、ディスプレイ、バッテリーを取り扱い、それらはすべて最終の組み立て時にケースに組み込まれるため、ぴったりと収まるように調整します。私たちはApple Watchが機能することを確認するためテストしながら進め、その後ソフトウェアを追加して一定の期間実行し、すべての機能が要件を満たすことを確認しています」とバージェロンは述べています。
3Dプリントがもたらした、設計上のもう一つの重要な改善点は、従来は鍛造プロセスでアクセスできなかった場所にテクスチャをプリントできることです。これにより、Apple Watchでは、GPS + Cellularモデルに組み込まれているアンテナのハウジングの防水加工プロセスを改善することができました。GPS + Cellularモデルのケース内部には、アンテナ機能を可能にするためにプラスチックを敷き詰めた分離部分があり、Appleは金属の内側に特定のテクスチャを3Dプリントすることで、プラスチックと金属との接合を向上させることができました。
パズルのピースをつなぎ合わせるのは、長年にわたる道のりとなりました。特定の合金の組成からプリント工程自体まで、製法を細かく調整するためにデモや概念実証を繰り返し行うことから始まりました。以前の世代の製品でかなり小規模なテストを実施したあと、チームにはチタニウムを扱う上での特有の課題を解決できると確信しました。
「私たちは常にこのように少しずつ前進して、次の段階に進むように努めています。これによって、デザインの自由度が以前よりも一段と高まりました。真に持続可能な方法で、私たちが必要とする外観と構造のレベルで、この画期的な成果を大規模に達成した今、可能性は無限です」とバージェロンは述べています。
このデザインの自由度はApple Watchにとどまらない別のメリットをもたらしました。それは新しいiPhone Airに搭載されたUSB-Cポートです。3Dプリントで製造したチタニウムの筐体に、同じ再生チタニウムの粉末を使用して、まったく新しいポートを作ることで、Appleは驚くほど薄いながらも頑丈なデザインを実現することができました。
これは、物理法則、素材のイノベーション、比類ないデザイン、そして環境への確固たる取り組みのすべてがそろった時に起こり得る魔法のようなものです。
「私たちはシステムの変更に非常に熱心に取り組んでいます。一度だけ対処するために行うことは決してせず、それを行うことでシステム全体がうまく機能するようにします。Appleが重要な指標として常に掲げているのは、人々と地球にとってより良い製品をデザインすることです。私たちが一丸となって、デザインと製造とAppleの環境目標において妥協することなく革新を起こせば、その恩恵は想像をはるかに超える大きなものになります」とチャンドラーは述べています。
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