院士呂炳衡：3Dプリントと革新的なデザイン

【西安デザイン講堂は「デザインと対話し、共通の発展を模索する」という趣旨を堅持し、ハイエンド、奥深さ、前向き、相互補完という特徴を主張し、技術の優位性、文化の優位性、人材の優位性を十分に探求し、統合します。革新的なデザインとインテリジェント製造を出発点として、文化理念を広め、シルクロード沿いの地域の革新的なデザインレベルを高め、国際交流と協力を促進し、シルクロード経済ベルトの建設に多大な貢献をします。 3月30日、西安デザイン連盟はシルクロードイノベーションデザイン産業連盟会長の陸炳恒院士を招き、「3Dプリントと革新デザイン」と題する報告を行った。全文は以下の通り。

シルクロードイノベーションデザイン産業連盟会長（広東省付加製造協会名誉会長）陸炳恒院士
3D プリンティングは、積層造形における主流の製造技術です。製造技術の分類では、積層造形、減算造形、等材料造形があります。3Dプリントは積層造形に属し、材料を積み重ねる製造方法です。この技術の出現により、製造技術業界にまったく新しい状況がもたらされました。マッキンゼーの分析レポートによると、2013年には3Dプリント技術は私たちの生活や生産組織に影響を与えるトップテクノロジーの一つと考えられており、2030年までに1兆ドル規模に達すると予想されています。

3D プリントにはいくつかの種類があります。
1. 外部からのレーザー照射により固体化し蓄積するレーザー固化法。
次に、粉末、プラスチック粉末、金属粉末、さらには砂を使用して、層ごとに結合します。
3. 補助材料のワイヤーを溶かして積み重ねます。
4番目に、金属粉末を使用し、それを吹き付けて積み上げ、デジタル制御で必要な形状にします。

3D プリント技術は、従来の製造業界に多大な変化をもたらしました。従来の製造プロセスを大幅に簡素化し、製品部品の数を削減しました。何万もの部品で構成されている自動車などの製品は、わずか数個の部品にまで簡素化できます。現在、航空機や航空宇宙エンジンでは部品の製造に3Dプリンティングが使われ始めています。さらに、3D プリントにより、製品を軽量化し、機器の効率を高めることができます。

3D プリントは破壊的な技術です。これまでの製品開発プロセスでは、単一の製品のカスタマイズは非常に複雑なプロセスでした。さらに、数量が少ないため、成形プロセスを引き受ける企業はほとんどなく、3D プリントはこのような製造需要を満たすことができます。そのため、3D プリンティングは航空宇宙、自動車、医療、電子製品の開発において非常に重要な役割を果たしてきました。消費レベルが上昇するにつれて、誰もがパーソナライズされた製品を求めています。大規模なカスタマイズまたはパーソナライズされたカスタマイズは徐々に製品製造の主なモードになり、3Dプリントは最も適した技術です。これまでは製造や設計すらできなかった非常に複雑な部品や製品でも、完成品として生産できるようになり、製品や装置の革新的な設計に広大な余地が生まれます。

科学研究の面では、製造材料は、単一の材料の蓄積から複数の材料の複合へと徐々に変化してきました。これにより、部品の表面を耐摩耗性、耐腐食性、高強度にし、内部を中空にすることができ、材料が各段階で最大限の性能を発揮できるようになります。

付加製造は創造的な製造、つまり材料の作成へと進むこともできます。現在、機械加工に使用される材料は製錬所によって提供されています。3D プリント技術を使用すれば、粉末床上で複数の元素を合成して新しい合金を作ることができます。物質の創造から生命の創造まで、それは生命の創造です。 3Dプリントは分解可能な材料で人間の臓器を作ることができます。人体に移植された臓器は生化学的環境下で分解され、体内の細胞に変わります。この技術は骨、心臓、肝臓を作るのに使用できます。したがって、3D プリントは科学研究のための優れた製造ツールを提供します。

3D プリントは、3D から 4D、5D へと発展の過程にあります。印刷時にはスマートマテリアルが使用されます。印刷後に温度を変更したり、磁場などの他の効果を追加したりすることで、製品の最終形状を印刷時の初期形状とは異なる形状に変更できます。これは非常に素晴らしいプロセスです。限られた空間に非常に小さな開口部を設け、その中に配置できる材料を印刷し、環境の温度を変化させて必要な形状にします。これこそが 5D プリントの真髄です。形だけでなく機能も変化し、生命のない物体を生きた個体に変えることができます。

現在、私たちは細胞プリンティングの研究を行っています。架空の空間で、3Dプリントを使用して細胞を積み重ね、異なる生化学的環境に置きます。幹細胞を追加することで、さまざまな組織、筋肉、神経、血管を誘発することができます。 3D プリンティングは、ラピッドプロトタイピングから製品開発、そして現在の大量生産まで、従来の生産モデルに破壊的な変化をもたらしました。その材料は、初期の樹脂からプラスチック、金属材料、複合材料、または生物活性材料へと進化しました。業界全体の発展を見てみると、最初はみんな3Dプリンターの設備を作っていたのですが、それがどんどんいろんな分野での応用に広がり、最終的には最先端技術へと移行していきました。将来、宇宙に行って宇宙の材料を使って月に家を建てたり、地球上では希少な非常に貴重な材料を使って宇宙船の部品を作ったりすることが想像できます。 3Dプリンティングはハイテクから企業へと移行しており、さまざまな業界がこの産業の発展を促進しています。

3D プリントはユニバーサルメーカーのトレンドをリードしており、将来的には私たち全員がそれを使用して独自の革新的なデザインを実現できるようになります。私たちのイノベーションは、もはやシステムによって制約されません。自宅でプロトタイプや一部の機能部品を印刷するには、3Dプリンターが必要です。さまざまなデザインを革新し、製品モデルを印刷して、投資家がプロジェクトの実現可能性評価を実施できるようにします。国民メーカーの時代が到来しました。まったく新しい社会を構築するには、従来のシステムを打破し、社会のすべての構成員の自主性を結集する必要があります。技術革新はさまざまな形で社会革新を促進してきました。 3D プリンターの普及により、誰もが自宅で革新的なデザインを実行できるようになり、作業モードが変わり、誰もが社会生産に参加できるようになります。

3Dプリントは中国で急速に発展しており、2016年以降、中国は3Dプリントの特許技術において世界第2位となり、2017年には世界第1位となった。現在、3Dプリント業界において、中国の世界シェアは25％から50％へと徐々に増加しており、2018年には中国の設備導入ランキングは世界第4位から第3位に上昇した。中国は、高度な医療と航空宇宙における画期的な成果により、世界の最前線に立っています。 2000年以来、西安交通大学は第四軍医大学、交通大学第二付属病院と科学研究で協力し、優れた成果を上げてきました。 3Dプリント製品が航空宇宙のニーズを満たすのに十分な強度があるかどうか誰もが疑問を抱いている中、王院士が製作した世界初の3Dプリント航空機着陸装置は、すでにテストされています。科学研究と設備の産業化の面では、金属3Dプリンターであれ非金属3Dプリンターであれ、私たちは非常に優れた技術を習得しており、西安は常に主導的な立場にあります。そこで、中国付加製造イノベーションセンターが西安に設立されました。現在、一部の機器の研究開発は独自のソフトウェア開発に基づいていますが、一部の主要な光学機器やレーザーは依然として輸入に大きく依存しています。その結果、我が国には現在、独自の3Dプリント技術が比較的少ないです。しかし、継続的な努力により、必ず世界をリードする地位に近づくことができると信じています。

3D プリント技術を使用して製品モデルを作成すると、コストを大幅に削減し、コンピューターシミュレーションモデルが実際のモデルと異なるリスクを回避できます。当社は一連の迅速な金型製造技術を開発しました。従来の金型製造は非常に複雑で、コストと時間がかかります。当社は3Dプリント技術を使用してプロトタイプの外観を製造します。形状が承認された後、エンジンを取り付けて使用できます。このとき、当社はいくつかのシンプルで高速な金型を使用して実際の金型を処理します。当社では、ロットごとに異なる製造方法を採用しています。たとえば、数十個単位であれば、シリコンゴムの複製型を使用できます。ロットが大きい場合は、3Dプリントを使用してプロトタイプから加工済みモーターをコピーし、迅速な製品開発のシステムを構築できます。

3Dプリンティングは、オートバイの外観開発、動力機械の一体型インペラの設計、リングの開発、医療修理、部品の精密製造など、さまざまな産業分野で使用されています。

航空機の風洞での実験では、3Dプリントで作られた部品は従来の手作りの方法で作られたものよりも優れていました。3Dプリントは、センサーの取り付けや航空機の重量バランスの決定の不便さなどの問題を解決できます。特に自動車業界では、従来の手作業や粘土削り出しによるモデル評価と比較して、3D プリントを使用してプロトタイプを作成する方が自動車構造の分析に役立ちます。問題が見つかった場合は、デジタルモデルを修正して再評価できます。

少量生産のパーソナライズされた自動車を製造する電気自動車製造業界のほとんどは、依然として燃料車のシェルを借用しており、電気自動車のために真に設計されたボディシェルは存在しません。ボディ開発に多額の投資が行われているからこそ、電気自動車は一般消費者に十分に受け入れられず、いまだにテスト段階にあります。海外では自動車モデルの開発に3Dプリントを応用しており、非常に高度な自動車モデルを非常に迅速に生産できるため、製品設計を加速し、さまざまな革新的なデザインを実現できます。同時に軽量化も可能となり、多くの部品を統合することが可能となります。複合材料の設計は自動車でますます広く利用されており、これは電気自動車のニーズと非常に一致しています。電気自動車の航続距離は非常に重要な要素であり、車体が軽くなれば航続距離は自然に長くなります。車体は、3D プリント技術によって実現できる繊維やグラスファイバーなどの複合材料で作ることができます。また、自動車部品への展開も可能です。現在、当社は大型自動車金型の製造に携わっており、特殊なスプレー金型設備や自動車シェル一式を製作しています。

3D プリンティングは製造業に破壊的な変化をもたらしました。航空宇宙分野での応用により、材料利用率が 5% から 85% に向上し、製造サイクルを数か月から数日に短縮できるようになりました。しかしながら、3Dプリント技術で製造された部品の精度、強度、耐損傷性にはまだまだ課題が多く、これはまったく新しい理論であり、まだ研究段階にあります。

3Dプリントは生産モデルに新たな革命をもたらします。人々は自宅でクリエイティブなデザインを作成し、そのデザインをインターネットに公開して投資家を募集することができます。これは将来、非常に重要な革新的な社会的生産方法になる可能性があります。アメリカの企業であるGEはかつて、3Dプリントを使用した実験的な航空機構造部品の設計募集をオンラインで公開したことがある。最終的に700件の提案が集まり、専門家が優秀な10件を選出しました。その中で1位になったのは、この構造部品の設計を、重量6分の1、価格も6分の1で完成させ、剛性、強度ともに基準を満たした19歳の若手設計士でした。一般大衆には、本来の制作組織では発揮できない革新性と熱意という大きな潜在能力があります。将来の航空機製造では、部品の変更に何層もの承認や検証は必要なくなり、モデルを作成してテストするだけで検証できるようになります。

GE は 3D プリントを使用して航空機エンジンインジェクターを製造し、燃料効率を 15% 向上させました。彼らはかつて3Dプリントを使ってエンジンを製造し、受注額が400億ドル以上増加した。そこでGEは3Dプリンティングに大攻勢をかけることを決意。世界最強の3Dプリンティング企業2～3社を買収し、設備を独自開発して生産ラインを変革することを決めた。2030年までに1万台の3Dプリンターが航空機エンジンの生産に投入されると予測している。

私の国の 3D プリンティングは現在、急速な技術発展の時期にあり、これはスタートアップ段階であると同時に、企業による領域獲得の時期でもあります。現在、Amazon も 3D プリント業界に参入し、3D プリントリソースを組織してオンラインでサービスを提供しており、毎年数十億ドル相当の注文を受けています。わが政府はイノベーションを強力に支援しています。工業情報化部での議論を経て、西安ハイテク区に国家3Dプリントイノベーションセンターを設立することが決定され、ハイテク区の指導者から強力な支持を得ています。イノベーションセンターは、清華大学、北京航空航天大学、華中理工大学、西北工業大学、西安交通大学など全国13社の企業と5つの大学と連携し、国内外の専門家20人以上で構成される専門委員会を設置している。そのうち約半数が外国人専門家である。

当社の現在の研究開発の方向性は2つに分かれています。1つは航空機エンジン向け、もう1つは良江プロジェクト向けです。3Dプリント技術のサポートにより、航空機エンジンは革新的な設計になり、インペラディスクやタービンディスクの効率的な設計など、多くの複雑なプロセスを省くことができます。将来的には宇宙に行って3Dプリントを行い、地球上で必要な部品を製造するようになると私たちは考えています。宇宙印刷には多くの困難がありますが、そのエネルギーは無尽蔵であり、多くの利点があります。例えば、空気圧の影響を受けないので生産効率が向上し、周囲温度が高いため耐高温の物体を生産することができます。

自動車生産においては、吉利研究所と共同で「1万台プロジェクト」を展開しました。当社はビッグデータを活用してプロセスを最適化し、大型設備サポートを活用して国内の 3D プリントリソースを結び付け、国内の製造業に貢献しています。皆様の努力により、中国の3Dプリンティングは10年以内に世界第2位、5年以内に設置容量で第2位、10年以内に設置容量で第1位、売上高で第2位になると私たちは信じています。 2035年までに中国製造2025を達成する。

革新的なデザインの成果を育成し、より多くの3Dプリント産業を西安に誘致するために、西安ハイテクゾーンに3Dプリントタウンを建設し、産業クラスターを形成します。当社は、3Dプリンティングの主力となる技術サプライチェーンの実現に取り組んでいます。王永康書記は、3Dプリントが西安の八路軍のハードテクノロジーの一つになることを期待している。 1,600エーカー以上の面積をカバーする3Dプリントタウンの計画では、150億人民元を投資し、10数社の中核企業を導入する予定であり、国家のイノベーションの大きなチャンスを捉えてこの仕事をうまくやりたいと考えている。

技術面ではまだまだ推進の余地があり、例えば金属電気ケトルの噴霧技術は、自動車複合部品の金型一式を作るのに100万元以上かかり、100日もかかった。私たちは革新的なデザインのために 3D プリントを使用する多くの作業を行ってきました。建築物の一部には耐荷重性が求められるため、現在、建物の印刷に非常に軽量な材料を使用することを研究しています。住宅都市農村開発省はプレハブ建築を推進しています。3D プリントでは、曲線や彫刻、レリーフなどを簡単に作成できます。建物の各階の重量が軽減されれば、投資額も削減でき、建築家にとって創造的なモデルを作ることができます。

金属の革新という点では、金属プリントヘッドを光学粉末供給部品として使用すると、閉じたボールを印刷できます。粉末は外層にあり、光は内層にあります。その後、外層に光ファイバー、内層に粉末にアップグレードされます。このようにして、生産される部品は非常に細かくなります。

3Dプリント特色ある町の設計では、シルクロードイノベーションデザイン産業連盟と西安デザイン連合会の専門家を招き、優れたデザインを作成し、国から託された使命を果たしました。 3Dプリントタウンは、産業集積地となるハイテクゾーンの中核エリアに位置しています。将来的には、3Dプリントを使用して文化遺産を複製することができます。私たちは、3Dプリントタウンに3Dプリント博物館を建設し、主に西安の地元の文化資源、歴史資源、文化遺産を展示したいと考えています。また、莫高窟など、全国各地の文化遺産も展示したいと考えています。

出典: 広東付加製造協会

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