付加製造は造船業界に「新たな変革」をもたらす可能性がある

積層造形（AM）といえば、多くの人がよく知っています。技術の発展、特に近年の金属3Dプリント技術の進歩により、積層造形技術の応用は、製品の外観設計の迅速な対応やプロセス支援による間接製造に限定されず、金属機能部品の直接製造にまで広がっています。現在、金属付加製造技術によって製造された金属部品が、航空宇宙、国防・軍事産業、医療機器、自動車製造、射出成形金型、船舶などの分野でますます多く利用されています。

付加製造は、減算製造 (SM) に関連する技術です。減算型製造とは、工作機械と切削工具を使用して、工程ルートに従ってベースブランクを切削し、残りの部分が必要な表面になるようにすることです。プロセス全体は「減算」のようなものです。積層型製造は、部品の3次元データに基づいてデジタル技術を使用し、材料の蓄積を通じて必要な部品を直接製造します。プロセス全体は「加算」であり、魔法の成長プロセスのように、部品は何もないものから何かに成長し、形成されるまでどんどん大きくなります。

Damen、RAMLAB、Promarin、Autodesk、Bureau Veritasが開発した3Dプリントプロペラ、WAAMpeller
政策の方向性
2017年12月14日、国家12部門が共同で「付加製造産業発展行動計画（2017～2020年）」を発表し、付加製造技術の大規模応用を実現する重点分野として航空、宇宙、造船などを挙げた。業界の専門家は、従来の減算型製造と比較して、付加製造には独自の利点があると同時に、克服すべき独自の限界やボトルネックもあると考えています。関連技術の進歩とコスト削減に伴い、造船分野における付加製造技術の積極的な開発は、我が国の造船業界のインテリジェント製造の推進、生産効率とレベルの向上に積極的な役割を果たすことになるでしょう。

付加製造産業の発展のための行動計画（2017-2020年）（以下、行動計画）では、2020年までに5つの主要目標を達成することを明確に提案しています。

まず、業界は急速な発展を維持しており、年間平均成長率は30％を超えています。2020年、積層造形業界の売上高は200億人民元を超えました。
第二に、技術レベルが大幅に向上し、重点産業のニーズを満たす100種類以上のプロセス設備、コア部品、特殊材料を備えています。
第三に、産業応用が大幅に深化され、100件以上のパイロット実証プロジェクトが実施され、基幹製造業（航空、宇宙、造船、原子力、自動車、電力設備、鉄道輸送設備、家電、金型、鋳造など）、医療、文化、教育の4つの主要分野で大規模な応用が実現しました。
第四に、エコシステムが基本的に完成し、完全な付加製造産業チェーンを形成し、測定、標準、テスト、認証などを含むエコシステムが基本的に形成されています。
第五に、グローバルレイアウトが初めて実現され、国際競争力の強い2～3社の大手企業が育成され、2～3社の国際的に有名なブランドが創出され、一連の設備と製品が国際市場に参入しました。

造船業界では積層造形はどの程度普及していますか?
1980年代半ばに積層造形技術が登場して以来、30年以上の発展を経て、現在では成熟し、初期のシステムを形成し、米国がリードし、欧州が協調して発展し、日本がそれに続き、中国が後から発展するという基本パターンを示しています。金属精密デジタル積層造形装置の国際主要サプライヤーとしては、ドイツのEOS、英国のレニショー、米国の3Dシステムズなどがある。近年は中国企業も登場している。わが国の工業化された付加製造設備製品は現在、外国製品のレベルに近づいており、輸入に依存していた設備の初期の状況を一変させています。

製造業の不可欠な部分として、造船業は必然的に 3D プリント技術によって大きな影響を受けることになります。まず、この技術により造船業界における新製品の開発が加速し、開発コストが削減されます。成形の利便性により、この技術を使用して設計パラメータとアイデアをより適切に検証および改善することができ、設計レベルと効率が向上します。たとえば、新しいコンポーネントを設計する場合、設計者は同時に 10 個のオプションを考え出し、3D プリントを通じてその合理性を迅速に検証できます。スケールを縮小することで、より大きな船体設計でも迅速にモデル化できるため、設計者のモチベーションが大幅に向上し、製品開発コストが削減されます。

第二に、サポート製品の生産をより経済的かつ迅速に行うことができます。船舶サポート製品は少量生産され、その多くはカスタマイズされた製品であるため、3D プリントではいつでもパラメータを調整でき、少量生産や単一製品でも低コストで生産できます。同時に、この技術はサポート製品の保守サービスに大きな利便性をもたらします。船上で部品の交換が必要になった場合、その部品の設計図を最寄りの 3D プリンターに送信し、必要な消耗品を 3D プリンターに入れて製造します。

第三に、従来の加工方法では製造が困難な製品を、より高い精度と滑らかさで生産することができます。従来の製造方法は減算法であり、ブランクの不要な部分を切り取るために多次元の加工が必要です。一部の複雑な製品や外板は、この方法では加工が非常に困難です。 3次元設計と3Dプリント技術の活用により、あらゆる複雑な形状の部品を単一の装置で迅速かつ正確に製造することができ、これまで製造が困難であった多くの複雑な構造部品の成形問題を解決します。加工精度の向上により、製品性能も向上します。

造船分野における積層造形の応用に関する世界的な研究も大きく進歩しており、業界ではネジピン、ベアリング、箱型熱交換器、プロペラなど、多種多様な製品や部品の印刷に成功しています。韓国では、現代重工業が韓国・蔚山に蔚山創造経済イノベーションセンターを設立すると発表した。ヨーロッパでは、ロールス・ロイス社が船舶用ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに付加製造技術を適用しています。ロッテルダム港の RAMLAB 積層造形センターは、積層造形技術を使用して、ロッテルダム港の大型船舶に迅速な修理サービスを提供したいと考えています。

ロッテルダム港の RAMLAB は、ハイブリッド積層造形技術を使用して、世界初の船級協会認定の船舶用プロペラを製造しました。中国は船舶の付加製造においては後発だが、近年急速な技術進歩を遂げている。我が国の造船産業システムは、金属粉末材料の積層造形、金属レーザー焼結および電子ビーム焼結成形プロセス、積層造形装置などの研究を実施し、一連の成果を達成しました。

中国船舶重工集団傘下の研究機関が、ステンレス鋼、高炭素・低炭素合金鋼、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン合金など、さまざまな金属積層造形材料の特性を研究してきたことが分かっている。当研究所は長年のプロジェクト研究と製品開発を通じて、低炭素合金鋼、高炭素鋼、チタン合金などの付加製造プロセスを開発してきました。その中でも、合金鋼の付加製造技術は、強度500MPa、仕様300mm×300mm×300mmを超える部品を得ることができます。付加修理部品の体積は2m×2m×1mに達し、結合強度は最大800MPaに達します。複雑な3次元表面の製造を実現するために、直接粉末供給プロセスが開発されました。

CSICの別の研究機関は、TC4やTi80などのチタン合金粉末の開発に成功しました。粉末の品質と性能は、積層造形の要件を満たしています。また、空間曲面積層造形、レーザー焼結、チタン合金電子ビーム溶融堆積製造プロセスの研究も実施し、チタン合金電子ビーム溶融堆積プロセスの予備研究も実施しました。電子ビーム溶融堆積製造技術を使用して、典型的な1次元および2次元形状の材料を準備しました。

中国船舶重工集団傘下の研究機関は、積層造形技術を用いてチタン合金製のインペラを製造し、プロペラの試作を行っている。

付加製造は造船業界にどのような影響を与えますか?
現在、積層造形技術は製品の開発、検証、製造、メンテナンスに応用されており、一部の企業は積層造形技術を通じて生産プロセスにおける実際的な問題を解決し、良好な経済的利益を達成しています。

複雑な金型開発プロセスを排除することで、積層造形は新製品の設計検証サイクルを大幅に短縮し、製品開発をスピードアップすることができます。付加製造は「ユーザーに近い」（カスタマイズされた、ローカライズされた生産と配送）可能性を秘めており、既存の生産、倉庫保管、物流の方法をある程度変えることができます。

もちろん、発展途上の製造技術として、積層造形の成熟度は、金属切削、鋳造、鍛造、溶接、粉末冶金などの製造技術に匹敵するほどではありません。将来、造船分野における積層造形技術の大規模応用を実現するためには、以下の4つの問題を解決する必要があります。
材料特性は、硬化後の均一な強度と形状保持の確保など、積層造形の特徴に合わせて調整する必要があります。
純粋な積層造形における形状精度の確保の問題。
材料の受入検査方法および製造工程における性能の不均一性の仕様と基準。
4つ目は、インテリジェント積層造形装置の開発と研究の課題です。

追記<br /> 付加製造技術は、従来の製造方法を変え、複雑な金属構造機能部品の直接製造に新たなアイデアを提供し、製造業に幅広い応用の見通しを持っています。将来、金属 3D プリンターは従来の加工製造設備の一部をますます置き換えることになりますが、積層造形技術にも欠点や短所があります。積層造形技術は、減算造形技術を完全に置き換えることはできませんが、むしろ並行して補完し合う関係にあります。

出典: Welding Online

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