米軍は、機器のメンテナンスとサポートにおける3Dプリント技術の応用を体系的に研究している。

出典: セスシンクタンク

近年、3Dプリンティング技術は急速に発展し、民間および軍事製造分野における重要な応用可能性から、世界各国から高く評価されています。英国の雑誌「エコノミスト」は、「第三次産業革命」という記事の中で、3Dプリント技術を第三次産業革命の重要な象徴の一つとして挙げています。アメリカの科学者たちは、3D プリント業界を「米国で最も急成長している 10 の業界」の 1 つに挙げています。設備メンテナンスの分野でも、3D プリント技術は幅広い応用展望があり、設備メンテナンスのスペアパーツやツールの迅速な製造に使用できます。米軍は3Dプリント技術の開発に多額の資金を投入しており、これは米軍の将来の戦場装備の保守とサポートに重要な影響を及ぼすだろう。

1. 3Dプリント技術の基本概念と開発状況
3D プリントの技術原理は、基本的に従来のプリントの原理と同じです。従来の印刷では、プリンターを使用して平らな表面（紙、布など）にインクをスプレーし、2 次元の画像を形成します。 3D プリンティングでは、まず物体の 3 次元データを収集するか、その 3 次元設計のインクを平面 (紙、布など) に吹き付けて一連のデータを形成し、それをプリンターで層ごとにカットし、カットされた構造の各層を層ごとに印刷します。 3Dプリント技術は、物理的な層を連続的に重ね合わせることで、材料を層ごとに追加して3次元の物体を形成します。従来の材料除去加工技術とは異なり、積層製造技術とも呼ばれます。

3Dプリンティングは総合的な応用技術として、デジタルモデリング技術、電気機械制御技術、情報技術、材料科学、化学など多くの分野で最先端の技術的知識を統合しており、高い技術内容を持っています。 3Dプリンターは3Dプリントの中核設備であり、機械、制御、コンピュータ技術を統合した複雑なメカトロニクスシステムです。主に高精度機械システム、CNCシステム、射出システム、成形環境などのサブシステムで構成されています。さらに、新しい印刷材料、印刷プロセス、設計および制御ソフトウェアも、3D 印刷技術システムの重要な構成要素です。

現在、3D 印刷技術には 10 種類以上の異なる成形方法があり、通常は 2 つのカテゴリに分けられます。1 つ目のカテゴリは、ステレオリソグラフィー、紙ラミネート、選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融などのレーザー技術に基づく成形方法です。2 つ目のカテゴリは、溶融フィラメント堆積、3D 印刷、マスク光硬化、衝撃粒子製造、固体研削硬化などの非レーザー技術のラピッドプロトタイピング方法です。

世界各国の推進により、3Dプリント技術は徐々に成熟し、印刷材料と印刷精度が大幅に向上しました。現在、一般的な印刷精度は 600dpi の高解像度に達し、材料の各層の厚さは 0.1mm まで小さく、最小の特徴サイズは 0.1mm まで小さくなります。印刷材料は、石、金属、ポリマー材料まで多岐にわたります。さらに、印刷速度も向上し、高解像度では、印刷物の垂直の高さが1時間あたり1インチ（約2.54cm）以上に達することもあります。欧米の先進国では、3Dプリント技術は当初から成功した商業モデルを形成していました。例えば、家電製品、航空、自動車製造の分野では、3D プリント技術により、カスタマイズされた部品を少量ずつ低コストかつ高効率で生産し、複雑で繊細な形状を完成させることができます。

2. 兵器装備メンテナンスにおける3Dプリント技術の応用展望<br /> 技術の急速な発展に伴い、3Dプリントの概念はもはや工業設計段階に限定されず、ますます多くの分野に応用されており、武器装備のメンテナンス分野でも優れた応用見通しを持っています。

まず、戦時中の装備のメンテナンス用のスペアパーツを迅速に製造するために使用できます。戦時中、メンテナンス用スペアパーツは多段階の供給経路に頼らなければなりません。少数の重要なスペアパーツは部隊に携行され、戦場に事前配置され、損傷した装備の緊急修理に備えます。しかし、これらのスペアパーツの数は限られており、戦時中に枯渇しやすく、スペアパーツが揃っているという保証はありません。ほとんどのスペアパーツは戦場の背後にある供給基地やメーカーに頼らなければなりません。スペアパーツの供給時間は長く、戦時中にタイムリーで効果的な保証を提供することは困難です。戦場での 3D プリント技術の応用は、損傷した装備の緊急修理のための効果的なスペアパーツソリューションを提供できます。戦時には、事前に携行した装備の部品データのみを使用し、3Dプリンターを使用して緊急スペアパーツを製造して装備の戦闘能力を迅速に回復できるため、スペアパーツ供給システムの負担を効果的に軽減できます。

2つ目は、戦場で使用する装備品や整備用具、装備品を生産することです。戦時中の装備の使用と修理ではさまざまな緊急事態が発生するため、最前線の保守要員には限られた標準的な保守ツールと機器が支給され、戦時中の緊急修理のニーズを満たせない可能性があります。 3D プリント技術を使用すると、最前線の保守担当者は、事前に用意された図面に従って、現場で保守に必要な保守ツールや機器を印刷できます。必要に応じて、後方ラインの設計者は、最前線の保守ニーズに基づいて新しい保守ツールや機器を一時的に設計し、最前線に配備された 3D プリンターを使用してカスタマイズされた保守ツールを製造することができます。

3. 兵器機器メンテナンス分野における3Dプリント技術の利点<br /> まず、複雑なスペアパーツを迅速に製造できます。 3D プリントのプロセスは部品の複雑さとは無関係であるため、従来の方法とは比べものにならない、真に自由な製造方法となります。選択的レーザー焼結技術を例にとると、ブラケットを事前に作成する必要はありません。焼結されていないルースパウダーを自然なブラケットとして使用して、ほぼあらゆる形状の部品を形成できます。複雑な内部構造を持つ部品に特に効果的です。この機能は、複雑なチタン合金構造部品、複雑な内部冷却チャネルを備えた航空機エンジンのタービンブレード、複雑な内部材料と構造を備えた戦車の装甲、およびその他の重要な武器部品の製造に特に適しており、複雑な武器や装備部品の製造コストを大幅に削減します。

第二に、製品の単価はバッチサイズとは関係がないため、単品や小ロットの部品の生産に特に適しています。これは、少数配備された兵器のメンテナンス作業に非常に役立ちます。船舶を例にとると、多くの国の海軍は、艦艇数が少なく、装備も少ないうえに、特殊な部品も多く、メンテナンスやサポートも難しいという問題を抱えています。船舶機器のスペアパーツの多くは需要が少ないため、大量生産ラインで製造することができず、部品の分散生産によってしか提供できず、コストと時間がかかります。 3Dプリント部品の製造コストは生産バッチとは無関係であり、従来の生産方法の問題を大幅に改善し、少数の武器や装備の保守とサポートに大きな意義があります。

3つ目は、生産サイクルが短いことです。 CAD設計から部品加工完了まで数時間から数十時間しかかかりません。生産工程全体がデジタル化されており、いつでも変更・製造が可能です。この機能により、武器や装備のコンポーネントの信頼性と保守性を向上させるのに特に適しています。従来、兵器や装備は一度完成すると、信頼性や整備性は固定されており、装備部品の設計を改良したり、新技術を導入したりして、信頼性や整備性を高めることは非常に困難でした。 3Dプリント技術は、部品図面を修正することで装備部品の設計を迅速に調整することができ、武器や装備部品の信頼性と保守性の向上と強化に大きな価値があります。

4つ目は、材料の無駄がないことです。従来の機械加工技術は、原材料のブランクに対して何らかの形の切断、押し出し、その他の操作を実行して余分な材料を取り除き、最終的に必要な部品の形状に加工することです。しかし、このプロセスでは原材料が失われ、合金が高価になるほどリサイクルが難しくなり、生産コストが増加し、貴重な資源が無駄になります。たとえば、新世代の戦闘機のチタン合金加工プロセスでは、高価な航空チタン合金が大量に失われることになります。しかし、3Dプリント技術では材料の無駄がありません。どの部品製造工程でも、使用した粉末が部品そのものとなり、未使用の粉末も再利用できます。これは、高度な武器や装備のスペアパーツの製造コストを削減する上で高い経済的価値を持っています。

4. 米軍の兵器・装備の保守・サポート分野における3Dプリント技術の開発と応用<br /> 現在、米軍の各部門は3Dプリント技術の開発と応用を推進しており、一部の装備品の製造やメンテナンスにおいて、部品の製造に3Dプリント技術が使用され始めており、将来の装備品のメンテナンスやサポートにおける3Dプリント技術の応用に見通しが立っています。

2016年12月に米国のAir and Space Power Magazineウェブサイトに掲載された記事によると。アメリカの研究者らは、防衛分野における付加製造の現在の応用状況と開発の余地について議論した。
（１）設備保守・サポート分野における積層造形技術の役割、意義、応用展望をさらに明確にする。この研究では、付加製造が米軍の物流と支援業務にとって広範囲にわたる意義を持つと考えています。航空産業協会の製品サポート委員会の委員長は、積層造形は将来のメンテナンスサポートモデルを再構築し、スペアパーツ在庫の配布、保管、管理にかかるコストと物流上の負担を軽減し、システムの可用性を向上させ、軍隊の戦闘準備を大幅に向上させる破壊的技術であると述べた。
（２）付加製造技術の研究と管理を強化する。米国は、国家、国防総省、軍隊レベルで積層造形技術の研究と応用のための作業システムを徐々に形成してきました。国家レベルでは、米国は積層造形技術の開発、技術計画、指導を担当する国立製造科学研究所を設立しており、2015年からは設備のメンテナンスとサポートにおける積層造形の応用に関する研究を開始している。国防総省には国防総省保守業務付加製造タスクフォースがあり、業界と協力して国防総省の包括的な戦略ビジョンを策定し、国防総省の世界的な兵器システム保守事業を支援する付加製造技術の共同戦術的実装を推進しています。軍事レベルでは、陸軍、海軍、空軍も積層造形技術の開発ロードマップと具体的な開発・応用計画および作業手配を計画している。
（３）３Ｄプリント技術、試験・認証技術などの各種技術の開発を加速し、設備メンテナンス・サポート分野における積層造形の応用に幅広い空間を提供する。
（４）保守・サポート分野におけるAM技術の普及を迅速に推進するために、合理的なAM保守・サポートビジネスモデルと具体的な運用計画を策定する。
（５）問題や課題に立ち向かう。メンテナンス分野における積層造形を成功させるには、製品製造やメンテナンスなどのさまざまな部門の協力が必要であり、技術データ管理、相互運用可能な業界標準の適用、データ所有権などの問題が伴います。さらに、分散型積層造形環境におけるサイバーセキュリティのリスクを防ぎ、製造・修理環境における 3D 入力データと産業用制御システムの整合性を保護する必要があります。

米軍のさまざまな部門も、メンテナンスとサポートにおける積層造形技術の応用に関する研究を行っています。陸軍航空およびミサイル研究開発エンジニアリングセンターは、コーパスクリスティ陸軍補給基地と提携して、保管、分析、故障評価、回復施設内で高価値航空資産の回復、リサイクル、再利用のためのレーザー付加製造技術を検証しています。付加製造技術は、従来の製造方法では現在使用できない陸軍航空資産の修理に使用されます。プログラムの目標には、交換部品の注文から納品までの調達時間を短縮し、候補部品の適切な修理手順を開発し、運用、維持、即応性に影響が出る前にコストを削減することが含まれます。米陸軍は、積層造形技術をベースにした3Dプリント遠征ツールキットも開発しました。これは、特殊なツール、スペアパーツ、その他のコンポーネントの製造に使用できる、積層製造技術に基づいた高速製造装置です。戦場に配備され、必要な場所にできるだけ近づけて装備を届ける兵士や、補給サポートが限られている整備部隊。旅団支援大隊、保守供給ユニット、その他の特殊任務ユニット向けに、戦闘対応の修理部品、特殊工具、重要なスペアパーツ、カスタムパッケージを迅速に製造します。 3D プリント遠征キットには、兵士が戦場で製造して迅速な修理ニーズに対応するために必要な機器、ソフトウェア、ツール、および設計ファイルのライセンスデータベースが付属しています。このツールキットにより、兵士は特定の運用およびミッション関連のニーズを満たすために、エンジニアが実証したソリューションを革新することもできます。

海軍側では、米海軍が計画の取り組みを強化し、支援分野における3Dプリント技術の応用を積極的に推進しています。海軍は、3D プリント技術開発ロードマップを策定しました。これには、積層製造された部品の検査と監督機能の開発、積層製造用のデジタルフレームワークとツールの標準化、海軍向けの高度な統合デジタル製造ネットワークの確立、海軍要員が 3D プリントの教育、トレーニング、認定を受けるためのより良い機会の創出、調達執行部内への積層製造コーディネーターの追加などが含まれます。付加製造は驚くべき柔軟性を備えており、海軍艦隊のライフサイクル物流の効率を大幅に向上させ、戦闘資材の可用性を高め、コストを削減することができます。米海軍は、ノースカロライナ州チェリーポイント海兵隊航空基地の水陸両用強襲艦 USS エセックス (LHD-2) の航空機整備に付加製造技術を使用しています。海軍の艦隊即応センターと地域メンテナンスセンターでは、艦隊即応性を向上させ、時間とコストを節約するために、さまざまな方法で積層造形が使用されています。海軍が予想される即応性の向上のために海上で試験を実施する中、海軍研究局は、試作品ではなく普遍的な部品を製造できるように積層造形を可能にするために産業界に目を向けました。

空軍側では、空軍資材司令部が、空軍が積層造形で遭遇するさまざまな問題を柔軟かつ協調的な戦略で解決するために慎重な措置を講じる積層造形実施計画を策定しました。 AM 実装プログラムは、空軍全体にわたって標準化された機器、プロセス、ツール、および手順を通じて強固な基盤を確立します。世界中の空軍基地、保守・修理組織、エンジニアリング部隊、多数の兵器システムプログラムオフィスの大規模なネットワークにわたって効果的な AM ネットワークを確立するには、保守ネットワーク統合の取り組みから学んだ教訓を活用し、空軍が柔軟な展開戦略を採用できるようにする新しいアプローチが必要になります。空軍は、将来の戦闘コンセプトにおいて付加製造技術を使用するシナリオを構想している。つまり、ポリマーを満載したコンテナを空輸し、隔離された辺境の基地に投下して、3D プリント部品を直接製造することになります。印刷に必要なファイルは安全なスペースリンクを介して送信され、プリンターは数時間以内に重要な部品を製造します。

5. 3Dプリント技術の欠点と今後の開発動向
3D プリンティング技術はまだ開発の初期段階にあり、現在その応用において多くのボトルネックと課題に直面しています。 1つはコストの高さです。既存の3Dプリンターは依然として一般的に高価であり、さらなる普及と応用が困難になっています。第二に、印刷材料が限られています。現在、3Dプリントの成形材料には主に化学ポリマーが使用されていますが、選択の制限が大きく、成形品の物理的特性が悪く、一定の安全上のリスクがあります。第三に、精度、速度、効率は依然として従来の製造レベルに達していません。現在、3Dプリント製品の精度は満足できるものではなく、印刷効率は大規模生産のニーズを満たすにはほど遠いです。

3D プリント技術は急速に発展しています。国際ラピッドマニュファクチャリング産業に関する権威あるレポート「The Wohlers Report 2011」が発表した調査結果によると、世界の 3D プリント産業の生産額は 1988 年から 2010 年まで、年間平均 26.2% の成長率を維持しています。報告書は、3Dプリンティング業界が今後も急成長を続けると予測しており、2016年には機器製造やサービスを含む業界の総生産額は31億米ドルに達し、2020年には52億米ドルに達するとしている。インテリジェント製造が発展し成熟するにつれて、3Dプリント技術は速度、精度、材料の面で向上し、コストがさらに削減され、設備のメンテナンスやサポートの分野で広く使用されるようになるでしょう。

6. サポート業務指揮・管理システムのレベル向上<br /> 日本は、将来の情報化・ネットワーク化戦争のニーズに対応するため、保守・支援情報システムを含む軍事情報システムの構築を重視し、情報化兵器・装備システムの開発における主要な課題と位置付けている。日本の保守・サポート業務情報システムには、設備管理システム、保守管理情報システム、総合資材管理システム、車両使用状況システム、在庫管理システム、需給管理システムなどが含まれます。経営レベルから、中央（本部）情報システム、自衛隊情報システム、草の根連隊レベルのシステムが形成されています。 2015年、海上自衛隊補給本部長の村川豊氏が「海上自衛隊統合修理・補給システム」の開設式に出席した。このシステムは富士通が開発し、それぞれ独立した修理・供給システムを統合することで、修理・供給の効率性・安全性の向上とシステム運用コストの削減を目指しています。海上自衛隊の統合修理補給システムは、軍補給管制システム、船舶補給システム、航空補給システム、修理補給業務システムの4つの主要業務情報システムで構成されています。新システムにより、海上自衛隊は年間６億３千万円の経費と１４万５千時間の業務処理時間の節約が見込まれる。このシステムには、修理・補充作業を迅速かつ正確に完了すること、システムセキュリティを含む情報セキュリティを確保すること、情報技術を駆使して情報共有を強化し、各種システムやデータベースの統合を通じてセキュリティコストを節約することという3つの主要な役割があります。

米軍は、機器のメンテナンスとサポートにおける3Dプリント技術の応用を体系的に研究している。

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