【分析】ドローン製造における3Dプリント技術の応用

【分析】ドローン製造における3Dプリント技術の応用
2011年8月16日の中国航空ニュースの報道によると、2011年8月1日、英国サウサンプトン大学のエンジニアが、世界初の「プリント」無人航空機「SULSA」を設計し、試験飛行を行った。 SULSA の誕生は、ドローン製造が 3D プリント時代に入ったことを意味します。 3Dプリント技術はこれまでもドローンの一部部品の加工・製造に応用されてきたが、従来の製造の補助手段として、あるいは玩具や航空機模型など、重要度の低い用途の無人航空機の製造にしか使われていなかった。 SULSAがアイコンとなった理由は、機体全体が3Dプリント技術を使用して作られており、拡大されたおもちゃの飛行機ではないからです。 SULSAは、胴体の長さが3m、翼幅が2m、総重量が5kgで、ドローンファミリーの中ではミニとしか言えず、ほとんどの人が簡単に持ち上げられるほどですが、まさに本物のドローンです。

SULSAは最新のドローンを基本設計・構成としており、最大飛行速度は時速160kmに達する。 3D プリント技術により SULSA が実現し、SULSA のような高度にカスタマイズされたドローンを構想から初飛行までわずか数日で実現できるようになりました。このプロセスは、従来の複合材料と製造技術を使用すると、通常は数か月かかります。 3Dプリント技術を使用すると、まずコンピューター上でSULSAの設計「設計図」を完成させ、次にEOS EOS INTP730レーザー焼結機を使用して「設計図」に従ってボディを層ごとに印刷することができます。航空機のその他の部品（客室ドア、エンジン、各種計器など）は別途印刷され、航空機に取り付けられます。航空機上のすべての装置は、ネジやヒンジを使わず、「スナップオン」技術を使用して接続されています。その結果、わずか数分で工具を使わずに航空機全体を組み立てることができます。


実際、SULSAは、英国サウサンプトン大学のジム・スキャンラン氏とアンディ・キーン氏が率いるEUの航空宇宙エンジニアのチームが開発した2Seasドローンの縮小版テスト版にすぎない。主役機2Seasの胴体、翼、尾翼はABSプラスチックで完全に印刷され、中央の翼ボックス、燃料タンク、エンジンマウントは金属で印刷されています。この無人機は英国、オランダ、ベルギー、フランスの沿岸警備隊のために長距離監視任務を遂行する。

3D プリント技術をドローンの製造に利用しているのは、欧州連合の航空技術者のグループだけです。米国は、ドローン研究の分野における先駆者であり統合者であることから、Predator から MSI まで、あらゆるものに 3D プリント技術を取り入れています。その中で、ロッキード・マーティンP-175複合材ドローンの開発では、輸送過程でカーボンナノチューブとマトリックス粉末をレーザー焼結して機体構造を形成した[1]。同時に、ロシア、イスラエル、日本、インドなどの国々も、3Dプリント技術を利用してドローンを製造することを軍事装備開発の主要分野の一つにしています。

1 破壊的技術：ドローンと3Dプリント

2013 年 9 月、新アメリカ安全保障センターは報告書「ゲームチェンジャー: 破壊的技術と米国防衛戦略」を発表しました。この報告書では、先進技術の世界的な普及とそれが米国の防衛技術上の優位性に及ぼす可能性のある課題について議論し、5 つの潜在的な破壊的技術を提案しました。これらには、自律システムや付加製造、すなわちドローンや3Dプリント技術が含まれます[2]。 同時に、世界各国の研究機関が同様の破壊的技術概念を提唱している。それらは米国が提唱したものとは異なるが、重なり合い交差しており、いずれも先進的な兵器や装備に直接転用できる最先端技術である。リストにはドローンと3Dプリント技術も含まれており、相互統合の機会も生まれます。


1.1 軍民両用ドローンの新たなお気に入り<br /> 無人航空機（UAV）は、リモコンまたは搭載プログラムによって制御され、繰り返し使用できる無人航空機です。機体構造、電力システム、制御システム、ミッションペイロード、データ通信システム、離陸・回収装置などで構成されています。 1917年に最初のドローンが誕生して以来、ドローンは当初の標的航空機から、偵察、通信、電子対抗手段、空爆を統合した今日の軍事装備へと進化してきました。また、国境警備、核放射線検出、航空写真撮影、空中探査、災害監視、交通パトロール、治安監視などの民間の任務も遂行できます。非常に多くのタスクを完了できる能力により、ドローンは軍事・民間の両分野で新たな人気を博し、世界中の国々で好まれています。 ドローンがこれほど注目されている理由は、その独自の利点にあります。ドローンは構造がシンプルで、小型、軽量、操縦性が良く、飛行時間が長く、コストが低く、隠蔽性が高く、空港の滑走路が不要で、何度も回収して再利用でき、パイロットの生理的限界を超える高速飛行が可能で、核、生物、化学汚染地域の深部空中探知やサンプル採取など、極めて危険な任務を遂行できる。特にドローンは、死傷者を減らす、あるいは回避するという現代の戦争の要件を満たしている。ドローンは近代になっていくつかの局地戦争の試練を経て、支援装備から戦争の最前線へと移行し、先進国を中心に世界各国の軍隊が研究開発に力を入れる装備の一つとなった。 現在、世界50カ国以上の軍隊がドローンを装備しており、米軍だけでもグローバルホーク（図2参照）、プレデター、ファイアスカウトなど20機種以上が運用されており、保有ドローンの総数は7,000機を超え、世界第1位となっている。

 1.2 第3次産業革命の象徴 - 3Dプリント技術
3D プリント技術は、積層造形法やラピッドプロトタイピングとも呼ばれ、デジタルモデルファイルを基礎として、粉末、フィラメント、ブロックなどの形状の金属やプラスチックを使用し、接着材や熱源を補充して、層ごとに積み重ねて蓄積することでオブジェクトを構築する技術です。従来の機械加工では、原材料のブランクに対して「減算」を実行しますが、3D プリント技術では、図 3 に示すように、原材料を継続的に追加して最終的に目的の部品を得る「加算」を実行します。



3D プリント技術は、原材料や積層原理に応じてさまざまなタイプに分けられます。 3D 印刷技術は 1990 年代に誕生しました。従来のプロセスと比較すると、3D 印刷技術には、低コスト、低サイクル、輸送ゼロ、複雑な処理、ワークピースの接続と組み立ての削減、廃棄副産物なし、ポータブル製造、正確な複製など、10 の主要な利点があります。 3D プリント技術とコンピュータ技術の同時発展により、その利点はますます明らかになります。 3Dプリント技術は開発以来、航空宇宙、国防装備、自動車製造、バイオメディカル、建設工学、電子工学などの業界で広く利用されてきました。米国の雑誌「タイム」は、3Dプリント技術を「米国で最も急成長している10の産業」の1つに挙げ、英国の雑誌「エコノミスト」は、3D立体印刷技術を未来の世界を変える新しい革新技術と呼び、3D立体印刷技術が「他のデジタル生産モデルとともに第3次産業革命の実現を促進する」と確信している。

オバマ米大統領が打ち出した「米国製造業活性化計画」では、米国製造業の活性化を支える技術の第一位として3Dプリンティングが挙げられている。 2012 年 8 月、米国政府はオハイオ州に国立 3D プリンティング研究センターを設立するために 3,000 万ドルを割り当て、米国の製造業の発展を確実にするために 3D プリンティングに 5 億ドルを投資しました。この計画は、3Dプリンティングが国家レベルで注目され、支持される初めての事例となる。

2ドローン製造への3Dプリント技術応用の必要性
2.1 3D プリント技術の成熟により、ドローン製造の強固な基盤が構築されます。 30年近くの発展を経て、特に近年のコンピュータ技術の急速な発展に伴い、3Dプリント技術は大きな進歩と大きな発展を遂げました。処理できる原材料の範囲は徐々に拡大し、樹脂、セラミック、プラスチック、複合材料、ほぼすべての金属合金をカバーしています。 3D プリント技術は、初期のモデル サンドボックスや単純な金型製造から、製品の直接製造、特に高価値製品の加工へと発展してきました。 3D プリント技術の独自の利点により、世界中の国々が 3D プリント技術への投資と支援を増やしています。一方では、科学研究への投資が3Dプリント技術の成熟と完成を促進し、他の分野との統合と革新の過程で、多くの新しい方法と新しいプロセスが生まれました。他方では、国家の支援により3Dプリント産業は繁栄し、市場の需要と供給に牽引されて、3D SystemsやStratasysなどの時価総額35億ドルを超える3Dプリント企業も誕生しました。

3D プリント技術の成熟は、さまざまな業界の注目を集めています。上記で紹介したドローンSULSと2Seasはいずれも3Dプリント製品です。2013年には、アメリカのSolid Concepts社が初の金属製銃を3Dプリントしました。ロールスロイス・グループは3Dプリント技術を使用してジェットエンジン部品を製造しました。2013年には、アメリカ航空宇宙局（NASA）とAmerican Aerojet Corporationが、図4に示すように、3Dプリントを使用してロケットエンジンインジェクターの製造に成功しました。 3D プリント技術はさまざまな業界で広く普及し、成熟した応用が進んでおり、ドローン製造分野への参入、およびドローン部品や完成機の加工と生産のための強固な基盤が築かれています。

 2.2 従来の技術ではドローンの開発動向に対応できなくなってきている<br /> 今日のドローンは、小型化、軽量化、大型ミッションペイロード、高度なカスタマイズ化に向けて開発が進められており、さまざまな最適化された設計構造がドローンに広く使用されています。そのためには、ドローンの軽量化、機械的特性の向上、限られた容積内でより多くの機能を実現できる構造が求められます。このような矛盾した設計条件により構造が複雑になり、伝統的な職人技にとって克服できない障害となりました。 3D プリント技術は、伝統的な工芸とは異なる発想で、固定具、金型、ツールの制約を取り払います。設計段階では、エンジニアは想像力をフルに発揮し、ソフトウェア内で複雑な外観と内部構造を持つ加工モデルを作成できます。3D プリントは、設計者の創造性に応じて加工を 100% 完了できます。空気力学者は、楕円形の断面を持つ翼が抗力を低減できることを何十年も前から知っていました。しかし、従来の製造技術ではこれを実現するのは困難でした。また、金属部品の中空または多孔質（ハニカム）構造（図 5 参照）は、材料全体を加工することによっては実現できません。いくつかの先進的なアイデアが実現したのは、3D プリント技術の登場によって初めてでした。



3Dプリントのワンステップ成形機能により、製造された部品はより精巧かつ軽量になり、最も最適化された方法で機能を実現できるため、燃料の節約や積載量の増加に役立ち、ドローンの開発動向と一致しています。 3D プリントは、航空機の接続部品の数を効果的に削減し、ボルトやヒンジなどの従来の接続プロセスを廃止し、軽量化して、より優れた機械的特性を得ることができます。 3D 印刷技術の新しい方法は、従来の処理に固有の欠点を補うことができます。米国テネシー州のオークリッジ国立研究所（ORNL）は、従来の加工中に部品が冷却されて歪む問題を克服する3Dプリント方法を開発しました。この技術は、大型の構造部品の製造や大型ドローンの翼構造のプリントに使用できます。 ドローンのカスタマイズ性の高さも、3Dプリント技術を選択した要因の1つでした。 3D プリントは単一の製品であり、金型、生産ライン、ツールなどによって制限されません。大規模な連続バッチ生産や任意のカスタマイズに使用でき、異なる製品群を同じ 3D プリンターで処理できます。
2.3 経済的利益は、UAV 製造に 3D プリント技術を選択する主な要因です。エンジニアリングの実践において、3D プリント技術によって製造コストを大幅に削減できることが証明されています。 「付加的」生産方式は、切削、研磨、腐食などの「減算的」工程を伴わず、「必要な分だけ原材料を使用する」ことを実現し、利用率を大幅に向上させ、廃棄物の発生を抑制します。「一回成形」により、金型、固定具、加工ツールのコストが不要になります。「局所的」生産モデルにより、工場や生産ラインへの初期投資、中間輸送および保管コストが不要になります。 UAV の SULSA と 2Seas を例に挙げてみましょう。どちらも第二次世界大戦中のイギリス空軍のヴィッカース ウェリントン爆撃機の内部スタッガード構造設計を採用しています (図 6 参照)。従来の加工方法では完成に非常にコストがかかります。しかし、この構造を 3D プリント技術で完成させるのに追加費用はほとんどかかりません。ドローンのエネルギー構造。このような矛盾した設計条件により構造が複雑になり、伝統的な職人技にとって克服できない障害となりました。 3D プリント技術は、伝統工芸とは異なる発想で、固定具、金型、ツールの制約を取り払います。設計段階では、エンジニアは想像力をフルに発揮し、ソフトウェア内で複雑な外観と内部構造を持つ加工モデルを作成できます。3D プリントは、設計者の創造性に応じて加工を 100% 完了できます。航空力学者は、楕円形の断面を持つ翼が抗力を低減できることを何十年も前から知っていました。しかし、従来の製造技術ではこれを実現するのは困難でした。また、金属部品の中空または多孔質（ハニカム）構造（図 5 参照）は、材料全体を機械加工することによっては実現できません。いくつかの先進的なアイデアが実現したのは、3D プリント技術の登場によって初めてでした。 図5 中空または多孔質（ハニカム）構造の3Dプリントのワンステップ成形機能により、製造された部品はより繊細で軽量になり、最も最適化された方法で機能を実現し、燃料の節約や積載量の増加に役立ち、ドローンの開発動向と一致しています。
3D プリントは、航空機の接続部品の数を効果的に削減し、ボルトやヒンジなどの従来の接続プロセスを廃止し、軽量化して、より優れた機械的特性を得ることができます。 3D 印刷技術の新しい方法は、従来の処理に固有の欠点を補うことができます。米国テネシー州のオークリッジ国立研究所（ORNL）は、従来の加工中に部品が冷却されて歪む問題を克服する3Dプリント方法を開発しました。この技術は、大型の構造部品の製造や大型ドローンの翼構造のプリントに使用できます。 ドローンのカスタマイズ性の高さも、3Dプリント技術を選択した要因の1つでした。 3D プリントは単一の製品であり、金型、生産ライン、ツールなどによって制限されません。大規模な連続バッチ生産や任意のカスタマイズに使用でき、異なる製品群を同じ 3D プリンターで処理できます。
2.3 経済的利益は、UAV 製造に 3D プリント技術を選択する主な要因です。エンジニアリングの実践において、3D プリント技術によって製造コストを大幅に削減できることが証明されています。 「付加的」生産方式は、切削、研磨、腐食などの「減算的」工程を伴わず、「必要な分だけ原材料を使用する」ことを実現し、利用率を大幅に向上させ、廃棄物の発生を抑制します。「一回成形」により、金型、固定具、加工ツールのコストが不要になります。「局所的」生産モデルにより、工場や生産ラインへの初期投資、中間輸送および保管コストが不要になります。 UAV の SULSA と 2Seas を例に挙げてみましょう。どちらも第二次世界大戦中のイギリス空軍のヴィッカース ウェリントン爆撃機の内部スタッガード構造設計を採用しています (図 6 参照)。従来の加工方法では完成に非常にコストがかかります。しかし、この構造を 3D プリント技術で完成させるのに追加費用はほとんどかかりません。

ロールスロイスの技術者は統計を通じて、従来の方法で1トンの航空機エンジンを加工するには6.5トンの金属が必要であることを発見しました。これは、従来の加工コストにおける原材料消費の割合を示しています。航空材料にチタンなどの貴金属が関係する場合、損失コストはさらに大きくなり、3Dプリントでコストを削減する余地があります。 Plunkett Associates が 3D プリントを使用して製造した航空用クランクは、従来のアルミ鋳造品より 21% 軽量です。Crucible Industrial Design は、エアバス A380 の 853 席のバックルを 3D プリントしました。各バックルは、従来のスチール製バックルより 85g 軽量です。航空機の寿命中に 1kg 軽量化すると、45,000L の燃料を節約できるという計算に基づくと、330 万 L の燃料を節約でき、運用コストで 2 億ユーロに相当します。
2.4 適時性はドローン製造の要件であり、3D 印刷技術の独自の利点でもあります。3D印刷技術は、従来の設計および製造プロセスにおけるサンプル設計、金型製造、機械加工、後処理などの面倒な手順を回避します。アイデアから製品まで、3D プリンターのみで実現できるため、生産サイクルが大幅に短縮されます。これにより、新しい技術を新しい部品に直接適用できるようになり、アイデアやデザインのテストがスピードアップし、生産効率が効果的に向上します。 2012年、米国バージニア大学は、SULSAと2Seasに続く3番目の無人航空機を3Dプリントしました。チームのエンジニアであるデイビッド・シェーファー氏は、「以前は、プラスチック製のターボファンエンジンの設計と製造に2年かかり、約25万ドルの費用がかかっていました。しかし、3Dテクノロジーを使用すると、航空機の設計と製造にはわずか4か月しかかからず、費用は約2,000ドルです」と語った。生産サイクルの短縮は明らかだ。 3D プリント技術はドローンの適時性要件を満たすことができ、ドローンの修理や部品交換、特に戦闘による損傷の場合の修理の適時性にも反映されます。 3Dプリント技術は、不足しているものを補い、壊れたものを置き換えるために、局所的な生産を活用します。設計図のネットワーク伝送は、製造ネットワークのレイアウトに役立ちます。「オンデマンドで近くで生産」モデルは、輸送における中間リンクを大幅に削減します。
2.5 多数の複合材料の使用は、3Dプリント技術のためのスペースを提供します。複合材料は、軽量、高強度、高比弾性率、強力な疲労耐性、強力な振動耐性などの利点があり、UAVのさらなる発展を促進する新しい材料です。先進的な複合材料と新しい構造の組み合わせにより、UAV の構造品質の重要な指標が確保され、約 20% ～ 22% (小型 UAV の場合) に制御できるようになり、燃料、ペイロード、武器、およびステルスによってもたらされる質量の補償のための十分なスペースが確保されます。 米国の先進的無人機材料、構造、航空委員会は、米国が将来研究に注力する 3 種類の概念的な無人機を開発しました。これら 3 種類の無人機、すなわち高高度長時間滞空型無人機 (HALEV)、高速操縦型無人機 (HMV)、超低コスト無人機 (VLCV) には、複合材料を多用するという共通点があります。 複合材料の加工に関して言えば、3D プリント技術は従来の方法よりも多くの利点があり、軽量で高空力弾性の構造を生産できます。 3D 印刷プロセスの柔軟性と複合材料の設計可能性を組み合わせることで、処理中にさまざまな強化段階を簡単に追加して、高速での複合材料の損傷許容度を低減したり、チップやセンサーを事前に埋め込んでスマート材料を形成したりすることができます。複合材料と3Dプリント技術を組み合わせることで、米国のX-48Bドローンのような翼胴融合構造を実現し、ドローンの部品点数を大幅に削減することができます。翼胴融合構造とその製造技術は、無人機開発における大きなトレンドとなっている。
 2.6 グリーンと環境保護は、世界各国の共通の取り組みの方向です。3Dプリント技術は、従来の工業生産方法よりも環境に優しいです。積層造形に基づいて、切断、旋削、研削、フライス加工、平削り、穴あけのプロセスで原材料の無駄やエネルギー消費がありません。リアルタイム処理により、100% オンデマンド生産が可能になり、従来のような万が一に備えた製品の過剰生産が回避され、製品やスペアパーツを保管するための倉庫や、それらで消費されるエネルギーやリソースが不要になります。 3D プリント技術によって促進される現地生産とデジタル輸送により、現在の世界的な製品輸送の消費と輸送ツールによって引き起こされる環境汚染を回避できます。
3. UAV 製造における 3D プリント技術の現状3.1 一体型プリント UAV 2011 年に世界初の 3D プリント UAV SULSA が誕生し、その後継モデル 2Seas も 3D プリント技術を使用して飛行に成功しました。 2012年、米国バージニア大学は、SULSA、2Seasに続く3番目の3Dプリント無人航空機を開発し、同年8月から9月にかけて、バージニア州ミルトン空港付近で巡航速度72km/hの飛行試験を4回実施した。英国シェフィールド大学の先進製造研究センター（AMＲC）とボーイングは、3Dプリント技術を使用して革新的な小型無人航空機の設計と試作を行った。このドローンは、熱溶解積層法（FDM）技術を使用して完全に印刷されており、9つの部品で構成されています。これらの部品は、機体後部に設置されたサーボシステムによって制御される剛性クリップオンエレベーターエルロンによって固定されており、機体に取り付けられる部品の数が削減されています。 2014 年 9 月に英国で開催されたロンドン 3D プリンティング ショーで、Stratasys は AirDog (図 8 参照) と Al-turaZenith という 2 つのドローンを展示しました。どちらのドローンも3Dプリント技術を使用して製造されており、Helico Aerospace IndustriesとAerialtronicsによってカスタマイズされています。

3.2 ドローンの主要コンポーネントの印刷航空宇宙は常に 3D 印刷技術の応用にとって重要な分野です。ボーイングはこれまでに、電子機器に冷気を導入する複雑な形状のダクトなど、10機の航空機プラットフォームに200個以上の3Dプリント部品を使用している。欧州航空防衛宇宙会社（EADS）は、レーザーを使用して金属粉末を加熱し、固体金属部品を形成し、フードの金属ヒンジを印刷します。この新しい技術は、部品の強度を高めるだけでなく、重量を半分に減らします。 2011 年、EADS は 3D プリント技術を使用して、航空機の着陸装置ブラケットやその他の航空機部品を製造しました。 実際、航空機におけるこれらのアプリケーションはすべて、ドローンの製造に移行できます。 2013 年 12 月、Solid Concepts 社は Ar-ea-I 向けに 737 UAV モデルの PETRA を製造しました。同社は選択的レーザー焼結技術を使用して、燃料タンク、エルロン、操縦翼面、フラップなどのコンポーネントを印刷しました。これにより、コンポーネントの品質が低減されただけでなく、製造時間も短縮されました。エルロンだけでも 24 日から 3 日に短縮され、最終的に PETRA は完璧な飛行テストを達成できました。 米空軍は、F-35戦闘機やその他の兵器システム用の3Dプリントシステムを開発するため、3Dシステムズ社と29億5000万ドルの契約を締結した。
4 UAV製造における3Dプリント技術の応用動向現在、各国は3Dプリント技術を研究開発の重点としており、将来的には、3Dプリント技術は高精度、高知能、汎用性、利便性の方向に発展するでしょう。速度、効率、精度の向上を基礎として、並列印刷、連続印刷、大片印刷、マルチマテリアル印刷などの一連の新しいプロセスが出現します。コンピューター技術の発展に伴い、マイクロトラス設計と機械シミュレーションが3D印刷技術に導入され、実際の使用に適した機械構造が得られます。機能性傾斜材料、スマート材料、ナノ材料、不均質材料など、より多様な3D印刷材料が開発されます。非金属表面への選択的金属堆積技術の応用により、電子部品や電子スキンとの一体型部品を加工することができ（図9参照）、異なる材料を使用した機械全体のワンタイム印刷を完全に実現し、ドローンをより小型、軽量、高精度、スマートにします。


5 結論複雑で高価な材料で作られ、従来のプロセスでは実現が難しい UAV 製造の構造部品の場合、3D プリント技術には、低コスト、シンプルなプロセス、優れた再現性、短い実装サイクルという明らかな利点があります。これが、3D プリント技術がドローン製造にゆっくりと浸透していく原動力です。 現在、3Dプリント技術はまだ初期段階にあり、大型製品を加工できない、適用可能な原材料が限られているなど制約が多く、ドローン製造分野、さらには航空宇宙分野で3Dプリント技術の大規模利用を推進することは依然として困難であり、短期間で従来のプロセスを置き換えることはさらに不可能です。しかし、ドローン製造分野における3Dプリント技術と従来の技術は矛盾するものではなく、むしろ相互強化、相互補完、相互改善の関係にあります。 現在のドローンの開発動向は、ドローン製造分野における 3D プリント技術の応用展望がますます広がっていることを意味します。まさに3Dプリント技術の介入によって、さまざまな新技術、新素材、新アイデアが生まれ、ドローンの進化が継続的に促進されています。
編集者: Antarctic Bear 著者: Liu Lei Liu Liu Zhang Haiou

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