金属積層造形によるモジュール式プロセス強化の推進

Brian K. Paul、RAPID Institute、モジュラー製造フォーカスエリアリーダーマッキンゼー・アンド・カンパニーのオペレーション部門 J. Bromberger と R. Kelly による最近の市場調査「付加製造: 製造業者にとっての長期的なゲームチェンジャー」によると、2017 年には航空宇宙、自動車、ヘルスケアの各業界で、機械形状のデジタル製造にレイヤーごとのアプローチが急速に採用されています。

金属積層造形 (MAM) 技術の例としては、金属粉末の連続層のレーザークラッディングや、金属粉末をレーザーの集束ビームに噴射して下から上に向かって部品を構築する方法などがあります。 2020 年までに、関連する付加製造市場は少なくとも年間 200 億ドルに達すると予想されています。さらに、特殊化学品や太陽熱化学エネルギーの付加製造も、モジュール式化学プロセス強化 (MCPI) の力を活用してコストや設備費などの要素を削減することで大きな可能性を秘めています。

オレゴン州立大学 (OSU) とパシフィック・ノースウェスト国立研究所 (PNNL) は、太平洋岸北西部およびその他の地域のさまざまな業界と連携して、付加製造技術を使用して、太陽放射から化学物質を生成する従来のソーラーディッシュモジュールよりも 5 ～ 10 倍小型で軽量なマイクロチャネル化学反応器と熱交換器を設計および構築する方法を学んでいます。

これまで、OSU はいくつかの企業が要塞コンポーネントや原子炉を製造し、市場に投入するのを支援してきました。しかし、大量生産される部品の規模拡大は中小企業にとって困難であり、既存の機能を活用したり、生産用の新しい製造設備に資本投資したりするために、サプライチェーンパートナーとの長期的な開発協力が必要になることがよくあります。

付加製造の使用により、特にモジュール構造において、新しい強化技術の導入を加速できます。

オレゴン州立大学と PNNL は現在、RAPID Manufacturing Institute のモジュール製造重点分野 (MMFA) 内で、PNNL の子会社である Star Technology Corp. (STARS) と連携して、新しい太陽熱化学製品を市場に投入することに取り組んでいます。

RAPID 助成金を通じて、STARS は現場でのデモンストレーションをサポートするために STARS モジュールのパイロット生産を確立します。 STARS 化学変換技術は、太陽光から化学への変換効率が 70% を超え、2014 年に R&D 100 賞を受賞した世界記録である太陽光蒸気メタン改質 (SMR) など、さまざまなアプリケーションをサポートしています。アンテナの焦点にあるソーラーナセルのサイズと重量の予算を満たすには、複数のマイクロチャネルコンポーネントが必要です。

このプロジェクトの目標の 1 つは、STARS が最小限の資本投資で重要な強化マイクロチャネルコンポーネントのサプライチェーンを確立できるように支援することです。 STARS テクノロジーを市場に投入する上での大きな障害は、これらの強化されたコンポーネントのコストです。より大規模な実用規模の化学品生産市場に参入するには、従来の MAM アプローチを超えるさらなるコスト削減が必要です。

たとえば、熱交換器の販売における商品原価の 70% 以上は資本コストと粉末コストによるものです。MAM を使用してマイクロチャネルコンポーネントを製造するコストを削減するには、これらのコスト要因に対処できる新しい工作機械が必要です。

OSU 先端技術製造研究所 (ATAMI) は、レーザーによる緻密化の前にインクジェットプリントヘッドを使用して粉末床に材料を噴射することで、材料の特性をデジタル的に操作できるように MAM ツールを改良する取り組みを行っています。

RAPID プログラムでは、このツールを使用して、高温強度と耐腐食性を備えた新しい金属マトリックス複合材を開発し、部品コストを 30 パーセント削減できる可能性があります。

最近、オレゴン州は、オレゴン州の現在の金属 AM エコシステムの機能拡張を目的として、今後 18 か月間で 100 万ドルの High Impact Opportunity Project (HIOP) を提供しました。 HIOP の目標は、州内で新しい金属付加製造プロセス、工作機械、材料を開発することです。この資金は、現在利用されているRAPID助成金を活用するために使用され、開発中のハイブリッドマシンを使用して、熱伝導率を高めたNiベースの超合金の開発を探求します。

これらの取り組みでは、ビルドサイクル中に金属部品の微細構造を選択的にドーピングまたは合金化する能力を活用し、単一のビルド内で材料特性を調整できるようになります。

PNNL が設計した高温熱交換器は、太陽熱化学反応器の効率を大幅に向上させる可能性があります。金属内部の特性をカスタマイズする機能により、新しい設計の自由度が生まれ、独自の物理的特性を持つ、より小型で軽量な反応器コンポーネントの設計に根本的な変化がもたらされます。製造される部品の価値を高めることで、部品メーカーは積層造形ツールに関連する多額の設備投資を行うことができます。

このように、RAPID 資金提供プロジェクトを活用した国家投資は、モジュール式化学プロセス強化をサポートする強化部品だけでなく、将来の航空宇宙および生物医学インプラント市場向けの新しいサプライチェーンを確立する機会も提供します。時間が経つにつれて、これらの業界への累積的な経済的影響は数十億ドルに上り、高給の雇用が数千件も生まれる可能性があります。

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

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