スウェーデンのシーメンス・フィンスポング工場を訪問: 3D プリント革命によるガスタービン製造

2017 年 12 月 12 日、Antarctic Bear は、The Paper がスウェーデンのフィンスポングにあるシーメンスの工場を訪問した記事を掲載したことに気づきました。この記事では、3D プリント技術の活用におけるシーメンスの取り組みと成果が詳しく説明され、Inspiron の積層製造に関するシーメンスの戦略を非常に体系的に理解することができました。

「3D プリンティングは製造業を再定義しました。何千年もの間、製造業は減算のプロセスでした。原材料の入手、旋削、フライス加工、研削、余分な部品の除去、そして最終的な成形です。3D プリンティングは、製造業を原材料を絶えず追加する加算プロセスに変えました。」スウェーデンのシーメンスフィンスポング工場の CEO であるハンスホルムストロム氏がこの技術を The Paper の記者に紹介したとき、彼は「エンジニアの興奮」と呼んだものに満たされた。

「引き算」から「足し算」への比喩は、3D プリンティングの本質、つまり、デジタル 3D 設計データに基づいて部品を層ごとに製造する製造プロセスである積層造形 (AM) を指摘しています。

△スウェーデンのシーメンス・フィンスポング工場<br /> フィンスポング工場では、2009 年からガスタービンの試作、修理、生産のための積層造形の実験を行っています。シーメンスが提供したデータによると、積層造形により生産リソースが 63% 削減され、メンテナンス速度が 60% 向上し、納期が 50% 短縮されます。

しかし、生産とメンテナンスと比較して、ホルムストロム氏は、付加製造が試作の加速に与える影響をより重視しています。「最も重要なのは、製造の高速化ではなく、設計の高速化です。これはまさにエンジニアの究極の夢です。デジタルモデリングにより、試行錯誤のコストはほぼゼロになります。100 回の間違いを繰り返せば、大きな利益が得られる可能性があります。」

フィンスポーンとガスタービン

ガスタービンは、連続的なガスの流れを利用してインペラを高速で回転させる内燃機関です。大型ガスタービンは、大規模な天然ガス発電所の中核設備であり、製造が最も難しい機械設備の 1 つとして認識されています。その中核となる主要技術は、シーメンスや GE などの大手製造企業が習得しています。

スウェーデンのエステルイェートランド地方にある人口 10,000 人強の小さな町、フィンスポングは、ガスタービン産業において 1 世紀以上の歴史を誇ります。フィンスポーンから東に車で 30 分のところには、「スウェーデンのマンチェスター」として知られる東部の港湾都市ノルショーピングがあります。

シーメンスのフィンスポング工場で製造または組み立てられた数百トンのガスタービン（世界で325台以上販売されているSGT-800を含む）は、まとめて積み込まれてノルショーピング港に輸送され、その後バルト海から世界中の顧客に出荷される。

この地域はスウェーデンの工業化の起源の一つです。 16 世紀、デ・ヘール家はフィンスポングの森林と河川資源に興味を持ち、山の岩だらけの平地に王室用の大砲と砲弾を製造する工場を建設しました。 1913 年、フィンスポング工場がタービンの生産を開始しました。工場の所有者は何度か変わりましたが、タービン産業は変わりませんでした。現在までに、フィンスポング工場は 800 台以上のガスタービンと 2,300 台以上の蒸気タービンを販売しており、その 95% が 100 か国以上に輸出されています。

シーメンスは2003年にこの工場を買収し、ノルシェーピングとフィンスポーンで最大の民間雇用主となった。フィンスポーンの市街地の人口はわずか数千人だが、シーメンスの工場では3,300人が雇用されており、その半数近くが地元住民だ。

フィンスポアン工場では、記者らは黄色の安全服を着た作業員がさまざまなサイズや組み立て段階のガスタービンを組み立てているのを目撃した。フィンスポング工場は、出力15MW～50MW（1MW=1000KW）の中型ガスタービン、すなわちSGT-500～SGT-800の5つのモデルの製造を担当していると報告されています。さらに、英国で生産される小型出力のSGT-300とSGT-400、および北米で生産されるIndustrial Trent 60航空転用型ガスタービンも、フィンスポング工場に出荷され、完全な組み立てが行われる予定です。

△作業員がガスタービンを組み立てている
2016 年 2 月、シーメンスは 2,000 万ユーロ以上を投資し、フィンスポングにある移転した学校をシーメンスの産業用ガスタービン 3D プリンティング研究開発拠点および工場に改造しました。この拠点は、ガスタービン部品の迅速なプロトタイピング、迅速なメンテナンス、迅速な生産を担当しています。 2016年7月、3Dプリント部品の商業生産が開始されました。

ガスタービン部品の 3D プリント: 技術と課題

フィンスポーンにあるシーメンスの産業用ガスタービン 3D プリンティング研究開発拠点と工場に入ると、多くの装飾や家具に元の学校の名残が今も残っています。各部屋に置かれた大小さまざまなカラフルなガスタービンの模型だけが、このテーマを強調し続けています。ホルムストロム氏は、3Dプリントへの今後の投資と規模拡大に対応するために、ここで大規模な改修工事が行われる予定であると紹介した。
△ガスタービンモデル<br /> 安全服とゴーグルを着用して入らなければならない作業室は、まったく異なる光景を呈している。工房は、プロトタイプの設計、印刷、修復、後処理の4つのエリアに大別され、ドイツのEOS社製の3Dプリンターが計12台設置されている。

記者は、3Dプリンターが24時間稼働しているとき、作業場に作業員がほとんどいないことに気づいた。フィンスポング工場の製品マネージャー、アンダース・パーソン氏は、ワークショップではデジタル管理システムが採用されており、運営にほとんど人手を必要としないと説明する。

自動で作動するプリンターに近づくと、緑色の光を発するガラス窓を通して、白い粉末の層上の特定の経路に沿って 4 つの緑色の光点が高速で移動し、固まった銀灰色の金属パターンを残していくのが見えます。次に、作業台を一段下げ、金属板を作業台全体に広げ、白い粉で覆い直して、新しい金属模様の層を描きます。

ペイソン氏によれば、印刷された各金属層の厚さはおよそ0.02mmから0.04mmで、髪の毛よりも薄いとのこと。印刷中のガスタービン部品は 9,000 層以上で構成されています。アルゴリズムは各レイヤーで脆弱性を検出し、自己修正することができます。

これは選択的レーザー溶融（SLM）と呼ばれる積層造形技術です。レーザー焼結（SLS）技術と比較すると、選択的レーザー溶融プリンターは、レーザーを制御して、敷き詰めた粉末の上の粉末を選択的に照射し、金属粉末を完全に溶融するまで加熱してから成形します。接着剤は必要なく、成形された金属部品は密度と機械的特性が優れています。
△選択的レーザー溶融法（SLM）
しかし、発電分野では 3D プリント技術に対する要求がさらに高まっています。ガスタービンを例にとると、まず、部品の熱負荷は使用されている金属の融点に近く、次に、タービンブレードが受ける遠心力は正味重力の 10,000 倍であり、最後に、ブレード先端の線速度は音速に近くなります。

シーメンスは、ガスタービンや蒸気タービンの金属部品の製造に選択的レーザー溶融法を採用した最初の企業の 1 つです。では、これらの 3D プリント部品は、使用後にどのように機能するのでしょうか?

13-in-1

パーソン氏によると、ガスタービンに使用される3Dプリント部品は、同様の安全性と信頼性に加え、効率性と持続可能性の面でも利点があるという。

フィンスポング工場では現在、燃焼室を中心にガスタービン部品の製造に 3D プリントを使用しています。関係するエンジニアリング担当者は、SGT-800 燃焼室の前端の導入に重点を置きました。従来の製造工程では、この部品は 13 個の部品と 18 個の溶接ポイントで構成されますが、3D プリント技術ではこれを丸ごと印刷するため、製造時間が数か月から 1 ～ 2 週間に短縮されます。

これらの 3D プリントされた燃焼室は、より高い燃焼温度をサポートし、最大 60% の水素と天然ガスの混焼に対応できます。水素は天然ガスよりも安価なので、純粋な天然ガス燃料に比べて年間300万ユーロの節約が可能です。

△3Dプリントに適した燃焼室前端<br /> シーメンスのもう一つのガスタービン工場である英国リンカーン工場では、 3Dプリント技術によってSGT-400ガスタービンのブレードが再設計され、多結晶ニッケル超合金粉末を使用して製造され、冷却性能が向上しました。フル負荷コアエンジン試験中、ブレードは摂氏1250度を超える高温ガスに囲まれ、時速1600キロメートルを超える速度で回転し、これは11トンの力に相当する。

英国リンカーン工場によるガスタービンブレードの3Dプリントの進歩は、タービンの高温用途向け高性能部品の製造を専門とする、シーメンスが2016年に買収した英国の3Dプリント企業、マテリアルズソリューションズと密接に関係している。

大量生産に取って代わるものではない

ボーイング、HP、BASF、バイエル、ハネウェルなどの企業も、3D プリントの材料、機器、ソフトウェアシステム、サービスへの産業進出を強化しています。シーメンスの主なライバルであるGEは、2016年に巨額の資金を投じて、ドイツの金属3Dプリンター企業コンセプト・レーザーとスウェーデン企業アルカムの株式の75％を買収した。

このような傾向の中で、シーメンスは 3D プリントの将来をどのように展開していくのでしょうか?シーメンスのグローバル分散型発電事業および石油・ガスサービス部門の CEO である Thorbjorn Fors 氏は、率直にこう述べています。「シーメンスは 3D プリンターを製造するつもりはありません。私たちがすべきことは、3D プリンターをいかにうまく活用するかということです。 」

現在フィンスポング工場で使用されている 12 台の 3D プリンターは、ドイツの EOS 社製です。そのうち 4 台は、シーメンスのニーズに合わせて特別にソフトウェアの修正が行われた特注修理プリンターです。フィンスポング工場では長年にわたり、13 個の部品と 18 個の溶接部で構成され、大規模な切断と再鋳造を必要とする燃焼室前端などの摩耗したガスタービン部品を修理のためにリサイクルしてきました。現在、カスタマイズされた 3D プリンターでは、上部の 24 mm を切り取るだけで、すばやく印刷でき、納期が 60% 短縮されます。

ホルムストロム氏はまた、当面は3Dプリント技術が大規模製造業に取って代わることはないだろうと強調した。シーメンスは、ソフトウェアと制御のデジタル化における優位性を活用することに注力し、3Dプリントのプロトタイプ設計でリードできると確信しています。

ホルムストロム氏は、フィンスポング工場がすでに第三者に 3D プリントサービスを提供していることを例に挙げました。少し前、この工場はスロベニアのクロコ原子力発電所にソリューションを提供しました。原子力発電所の循環水ポンプの直径108mmの金属ブレードを交換する必要があったのですが、元の製造業者が生産を中止していたのです。フィンスポング工場は3Dプリント技術を使用してブレードを再設計・製造し、新しいブレードは現在原子力発電所で安全に稼働しています。

仮想デジタルモデルでは、エンジニアは量産前に特定のパフォーマンスをテストできるため、開発時間が大幅に短縮されます。ホルムストロム氏は、このほぼゼロコストの試行錯誤に興奮しています。同氏によると、現在3Dプリントされているガスタービン部品はごくわずかで、製造コストは高いものから安いものまでさまざまだという。

しかしホルムストロム氏は、シーメンスの3Dプリントレイアウトにとって最も重要なのはコストではなく、無限に柔軟な設計がもたらす将来の可能性であると強調した。

デザインの無限の可能性に比べ、人材に対する需要のギャップはますます顕著になってきています。ホルムストロムが必要とする 3D プリンティングの研究開発人材は、創造性と想像力も兼ね備えた熟練したデジタルエンジニアでなければなりません。

出典：ザ・ペーパー

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