付加製造：造船業界の「新たな変革」をリードするか？

12月14日、国家12部門は共同で「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：「汎用」製造か「補足」製造か？
積層造形 (AM) は、積層造形 (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。

江南造船所（グループ）有限公司のチーフエンジニアである胡克毅氏は、積層造形は製造方法の革新であり、「プロセス革新」の範疇に属すると述べた。これは複雑な部品を製造するためのより優れた手段であり、生産効率と製品品質を大幅に向上させることができる。

積層造形は、従来の工具や固定具、複数の加工工程を必要とせず、複雑な形状の部品を迅速に製造できることがわかっています。これは、複雑な構造部品の成形問題を解決する効果的な方法です。さらに、製品構造が複雑で、材料の加工が難しいほど、その利点は明らかになります。従来の製造業では、積層造形技術を使用して単品、小ロット、過剰仕様の製品を生産することで、製造の難易度とコストを効果的に削減できます。例えば、航空機部品は主に一体型ブランクと一体型薄肉構造部品であり、従来の方法では成形が非常に困難です。積層造形技術はこの問題を解決し、機体の重量を軽減し、製造コストを削減することができます。我が国が独自に開発したC919航空機用の大型チタン合金部品の製造には、積層造形技術が活用されました。業界の専門家は、航空宇宙産業における積層造形技術の応用は造船・海洋工学産業でも参考にでき、その利点は明らかであると考えています。船舶や海洋工学設備には希少金属や貴金属で作られた部品が多くあるため、積層造形技術は材料使用量を大幅に節約できます。金属積層造形技術はデータモデル全体を印刷して溶接を回避できるため、海洋高圧容器や深海シールでは溶接の削減が非常に重要であり、高硬度部品や薄肉部品の加工に独自の利点があります。 Hu Keyi 氏は、部品レベルの観点から見ると、積層造形は一般的なアプリケーションであり、海洋機器の多くの部品は積層造形法を使用して製造できると考えています。

今回発表された「付加製造産業発展行動計画（2017-2020年）」では、船舶および関連設備分野での製品開発、構造最適化、プロセス開発、オンライン修理などにおける付加製造の応用研究を強力に推進し、船舶および複雑な部品の迅速な設計と最適化を実現し、動力システム、デッキおよびキャビン機械などの主要部品およびスペアパーツの直接製造を推進することが明記されている。業界の専門家は、技術の進歩と進歩により、造船分野における付加製造の応用は徐々に増加し、これはわが国のインテリジェント船舶製造のレベルを大幅に高める重要な機会になるかもしれないと述べた。

付加製造：造船業界で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。

同時に、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は大きく進歩しており、造船業界では、ねじピン、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。センターの重要な任務は、付加製造技術の開発と付加製造に関連する新興企業の育成です。現代重工業は、付加製造技術を通じて船舶部品を印刷することで、生産工程における時間とコストを節約し、業界の進歩を促進したいと考えています。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。同社のグローバル研究技術ディレクターのポール・スタイン氏は、付加製造技術は造船分野で幅広い応用の見通しを持っていると述べた。製造プロセスが非常に複雑で、従来のプロセスでは生産が難しいいくつかの幾何学的部品の場合、付加製造は最善の製造方法となる可能性がある。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。同センター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。中国船舶重工集団経済研究センターの上級アナリスト、曹林氏は、わが国の造船産業システムは金属粉末材料の付加製造、金属レーザー焼結と電子ビーム焼結による成形プロセス、付加製造装置などの研究を進め、一連の成果を上げていると述べた。

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。江蘇省理工大学海洋設備研究所は、積層造形技術を利用して船舶用液化天然ガス（LNG）気化器を製造した。LNG気化器は超高圧・超低温の動作条件に完全に適合し、製造コストとサイクルが大幅に削減される。

曹林氏は、わが国の最新の海洋低速エンジン工学研究プロジェクトには、ディーゼルエンジンのコア部品の積層造形に関する研究も含まれていると紹介した。

付加製造：造船業界にどのような影響があるのでしょうか?
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。曹林氏は、わが国では1997年にレーザー加工センターを設立して以来、いくつかの部門が船舶用コンプレッサーのシリンダーブロック、船舶用ギア、主エンジンのシリンダーライナーのレーザー強化を何度も実施していること、レーザークラッディング技術を採用してエンジンピストンの耐摩耗性とシリンダーライナーの耐摩耗性の問題を解決したこと、一連の船舶用ディーゼルエンジンを自主開発する過程で、新しい鋳造製品の開発と補助的な従来の金型設計と製造に積層造形技術を使用したこと、大学と協力して船舶用ガスタービンケーシング部品の積層造形を行ったこと、早い段階で精密なゼロ残渣鋳造ワックス金型製造に積層造形技術を採用し、直径約80mmのターボチャージャー用遠心圧縮機インペラを製造したことなどを紹介した。

「一般的に言えば、積層造形は複雑な金型開発プロセスを排除することで、新製品の設計と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」と曹林氏は述べた。「積層造形は『ユーザーに近い』（カスタマイズ、ローカライズされた生産と配送）になる可能性があり、既存の生産、倉庫、物流方法をある程度変えることができます。技術の進歩に伴い、積層造形技術の応用により、サプライチェーンがさらに簡素化され、製品アフターサービスの対応速度が向上すると期待しています。」

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。胡克易氏は、造船分野での積層造形技術の大規模応用を実現するためには、将来、一般的な応用において以下の4つの問題を解決する必要があると考えている。第一に、材料特性は、材料凝固後の強度と形状保持の均一性を確保するなど、積層造形の特徴に適応する必要がある。第二に、純粋な積層造形の形状精度保証問題。第三に、仕様と標準の製造プロセスにおける材料と性能の不均一性の受け入れ度合いと検査方法。第四に、インテリジェントな積層造形装置の開発と研究。将来は専用装置と汎用装置のどちらを開発すべきか？「船舶における積層造形の個別応用に関して、以下の問題を解決する必要があります。第一に、船体構造です。船舶には薄い殻のフレーム構造が多く、密閉された空間も多くあります。積層造形はどのように実現できるのでしょうか。第二に、船体構造材料の問題があります。現在、鋼板材料は適しておらず、複合材料はコストと強度の面で欠点があります。第三に、積層造形設備の規模の問題があります。特大の部品を積層造形によって製造する場合、製造設備はガントリークレーンほどの大きさになるのではないでしょうか。第四に、船舶の規格の問題があります。造船業界は、積層造形技術を適用する際、一定の試験および評価規格に準拠する必要があります。造船所は多くの検証試験と計算を実施し、船主に承認されなければなりません。これには時間、金銭的コスト、リスクがかかります。」と胡克一氏は述べた。

現在、積層造形は従来の製造方法を補完するものであり、主に「加工が難しく、コストが高く、ロットサイズが小さい」製品や部品に使用されています。曹林氏は、将来的に積層造形技術が大規模に応用できるかどうかは、主に2つの側面にかかっていると考えている。一方では、積層造形技術自体の発展、つまり、要求通りに良質の製品を製造できるかどうかである。現在、造船業界のニーズを十分満たすには、積層造形は、材料、プロセス、ソフトウェア、コアコンポーネントから設備に至るまで、多くの重要な技術を徐々に突破する必要がある。他方では、積層造形と従来の生産モデルとのコスト比較である。このコストには、生産設備と材料への一時的な投資だけでなく、研究開発、生産、メンテナンス、保証を含む複数の要素の総合的な比較も含まれる。

業界の専門家は、技術の進歩と国家の奨励政策の導入により、造船分野における積層造形技術の大規模応用の条件がますます成熟し、積層造形技術に関連する産業チェーンもますます充実し、最終的にわが国の造船業界の急速な発展を促進するだろうと述べた。

出典：中国造船ニュース

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