【乾物】3Dプリント技術が設備保守・サポートに与える影響と対策

3D プリント技術の急速な発展とプリント材料の多様化により、3D プリントは機器のメンテナンスとサポートの分野で優れた応用の見通しを示しています。本稿では、3Dプリント技術の急速な発展を踏まえ、情報化戦装備の保守・サポートに3Dプリント技術がもたらす発展機会を科学的に分析し、3Dプリント技術の発展が情報化戦装備の保守・サポートに与える影響を体系的に研究し、装備の保守・サポート分野における3Dプリント技術の応用を促進するための対策と提案を提示する。

近年、3Dプリント技術は急速に発展し、世界各国から広く注目を集めています。アメリカの科学者は、3Dプリント産業を「米国で最も急成長している10の産業」の1つに挙げており、この魔法のような3Dプリント技術が「第3次産業革命」をもたらすと期待する人もいます。 3Dプリント技術が兵器装備の設計、製造、使用サポートの分野で広く応用されるにつれて、3Dプリント技術は情報戦装備の保守とサポートの分野で幅広い応用の見通しを持つことが予測されます。3Dプリント技術を使用して損傷した部品を修復し、修理部品を迅速に印刷することで、装備の保守とサポートにおける変化と革新を効果的に促進します。 3Dプリント技術が情報化戦争装備の保守・サポートに与える影響を研究し、3Dプリント技術を活用するための対策や提案を行うことで、情報化環境下での装備の保守・サポート能力の向上や、装備の保守・サポートの改革・革新の促進に重要な技術的手段とサポートを提供することができます。
1 3Dプリント技術がもたらすチャンス<br /> 情報戦の特性により、設備の保守・サポート環境はより変化しやすくなり、サポート業務はより困難になり、サポートニーズはより多様化し、スペアパーツの消費は予測不可能となり、保守・サポート状況の転換や迅速な機動性、保守・サポートシステムの革新的な開発、カスタマイズされたサポート、サポートリソースの最適な割り当てに厳しい課題が生じています。 3D プリント技術の急速な発展と広範な応用により、機器のメンテナンスとサポートに貴重な開発機会が生まれました。

1) 3D プリントの適応性により、設備サポート部隊の専門的なハードルが大幅に下がり、オンデマンドサポートを実現するための重要な技術的手段が提供されます。将来の情報戦は陸、海、空、宇宙、電子戦力の統合合同作戦となり、装備整備設備、支援装備、支援技術、支援人員などの支援要素の多様化傾向がより顕著になる。参加部隊の種類の多様化に合わせて、戦場装備支援部隊も多様化する必要がある。3Dプリント技術を利用することで、任務のニーズや印刷要件に応じて支援を提供できるため、生産・技術支援人員数を大幅に削減し、支援部隊の専門的ハードルを下げることができる。米軍はアフガニスタンの戦場に3セットの3Dプリンター設備を配備した。各3Dプリンター設備は国際標準のコンテナに梱包されており、航空輸送または陸上輸送で前線戦場に直接届けられる。現場での個人防護装備や武器部品の生産を完了するには、わずか2人のオペレーターしか必要としない。

2) 3Dプリントの利便性と材料の携帯性は、多様なサポートニーズの難しさやスペアパーツの持ち運びの不便さを効果的に軽減し、フロントエンドサポートを実現するための重要な技術的手段を提供します。情報機器システムは複雑で、多くの部品で構成されています。部品に問題があると、機器のパフォーマンスに影響を及ぼし、機能が停止する可能性があります。情報戦のペースが加速し、戦場の破壊力が増すにつれて、戦場での保守とサポートの需要が高まり、スペアパーツと装備の消費率が増加し、装備の保守とサポート用のスペアパーツと装備の供給がより困難になり、作業がより困難になりました。従来の戦場での緊急修理やパッチワーク修理では、有効なスペアパーツの保証がなければ、保守とサポートのニーズを満たすことは困難です。 3Dプリンターは持ち運びが簡単で、造形材料も持ち運びやすく、一時的に近くで購入することも可能です。事前到着サポートや事後対応サポートにより、サポートニーズに最大限応え、保守サポートの効率化を実現します。米軍が2003年に導入した「部品野戦病院」システムでは、レーザーラピッドプロトタイピング技術を使用してスペアパーツを製造し、2年足らずで1万個以上の新しいスペアパーツが製造され、米軍の海外任務のニーズを満たしました。

3) 3D プリントの速度により、サポートリソースの準備時間と配信時間が大幅に短縮され、即時のサポートを実現するための重要な技術的手段が提供されます。情報化戦争では迅速な作戦が求められ、双方がそれぞれの情報技術の優位性を最大限に活用して、可能な限り最短の時間と最低のコストで迅速な勝利を収めようと努めます。この迅速な戦闘モードでは、装備のサポートが迅速、タイムリー、かつ効率的である必要があります。 3D プリントは高速で、「必要なときに入手し、損傷したときに修復する」という即時の保証を提供できます。

3D プリンティングはすでに、高速印刷や大型部品の印刷が可能です。現在、米国は最先端の3Dプリンターを使い、1時間で総重量約18kgの兵器を生産でき、長さ約5.8m、幅と高さ約1.2mの物体を印刷できる。中国も長さ約4m、幅と高さ約2mの部品を印刷できる。 3D プリンターは分散型製造が可能です。電子マッピング、リモートデータ転送、レーザースキャン、材料溶解などの一連の技術により、部品の電子モデルを物理的なオブジェクトに素早く変換できるため、サポート時間が大幅に短縮されます。実際の応用例によれば、同じ量の消耗品を使用して部品を製造する場合、3D プリンターの生産効率は従来の方法の 3 倍になります。

4) 3Dプリントのカスタマイズ機能は、新たな戦闘空域での随伴支援を実現するための重要な技術的手段を提供することができます。情報化された戦場の多次元化、三次元化により、装備の保守・支援空間は従来の陸、海、空から近空間、宇宙空間へと拡大しており、この新たな特徴に適応するには、相応の次元の装備の保守・支援手段を開発する必要がある。 3Dプリント技術は、カスタマイズサポートとスペアパーツ不要のサポートを実現できます。メンテナンスおよびサポート倉庫に3Dプリンターを装備することで、宇宙ステーション、宇宙船、外洋船舶などの戦闘空域が直面する付随サポート問題を効果的に解決し、多次元戦場と多重かつ分散したサポートポイントの問題を解決する効果的なサポート手段を提供できます。

米国国立研究評議会が 2014 年 7 月 18 日に発表した「宇宙での 3D プリンティング」レポートでは、3D プリンティング技術は、軌道上での交換部品の製造、予備部品や交換部品の宇宙への頻繁な輸送の必要性の排除、打ち上げの必要性の低減など、宇宙ミッションにプラスの影響を与えることができると考えています。宇宙 3D プリンティングは、原材料コストの削減やペイロードサイズの縮小を可能にします。米海軍は将来、沖合補給船を大型の3Dプリント船に改造することを構想している。この船は、外洋船舶のサポートニーズに応じてリアルタイムで生産・製造を行い、製造プロセスと輸送プロセスを同期させ、戦闘地域の海軍艦隊にスペアパーツのサポートを提供する海上の浮遊工場となることができる。

2. 情報戦装備のための3Dプリント技術<br /> サポートの影響将来の情報化された戦場では、装備のメンテナンスとサポート能力に対する要求が高まり、戦場での緊急修理、スペアパーツの迅速な製造、コンポーネントの信頼性と保守性の再設計、メンテナンスとサポートモデルの革新、修理計画の確立など、多くのメンテナンスとサポートの問題に直面することになります。長期的な発展と応用の観点から見ると、3Dプリント技術は装備メンテナンスの分野で優れた応用見通しを持ち、情報戦装備のメンテナンスとサポートに重要な技術手段を提供することができます。

1) 設備の迅速なメンテナンス能力の向上3Dプリントは、材料の準備とスペアパーツが一体化されているという特徴があり、現場で加工・成形でき、迅速に交換できます。後処理と戦場への配送を必要とする従来のメンテナンスと比較して、サイクルが大幅に短縮され、メンテナンスが速く、これまでにない製造柔軟性を備えています。まず、3D プリントによりデジタル製造が可能になり、メンテナンスとサポートの効率が大幅に向上します。従来の部品やスペアパーツの製造は金型に依存しており、プロセスに時間がかかります。3Dプリント技術を使用すると、「一人一工場」の目標を実現できます。わずか数時間で、修正されたデジタル「金型」の3次元データを形成し、すぐに生産を開始できるため、設備のメンテナンスとサポートの効率が大幅に向上します。第二に、現場で取り外すことができない機器の部品を迅速に修理することができます。故障した部品に部分的にアクセスできる場合は、3D プリントを使用して故障した部分を迅速に修復できます。アメリカのAV-8ハリアー戦闘機が離陸時に故障し、ハードランディング時に機首部分が軽微な損傷を受けた。作業員は3Dデジタルデータと付加価値材料技術を使用して現場で修理し、メンテナンス費用と時間を大幅に節約した。 3 つ目は、損傷した部品を修復するために、付加的な再製造を迅速に実行できることです。設備の使用中に損傷した部品については、3D プリント技術を使用して損傷部品の再製造モデルを確立し、部品の迅速な付加的再製造を実現し、形状、サイズ、物理的および化学的特性を復元し、復元後の部品の性能を向上させることもできます。

2) 補機類の保守性設計3Dプリント技術は、金型開発を必要とせず、部品設計図に基づいて部品モデルを迅速に印刷できます。製造プロセスはシンプルで、設備の保守性設計に広く使用できます。まず、機器の設計段階で、3D プリント技術を使用して機器モデルを迅速に生成し、機器のアクセス性と分解性、メンテナンス性を検証できます。第二に、3Dプリントは、どんな複雑な形状の部品でも「自由な製造」を実現できます。製品の構造の複雑さはプロセスにほとんど影響を与えません。従来の加工方法では製造が困難だった部品の成形を解決できるため、構造設計が改善され、設備のメンテナンス性が向上します。第三に、部品の信頼性と保守性指標に基づいて、一部の戦闘で損傷した交換部品を設計し、予備部品の性能を適切に低減して、基本的な戦場のニーズを可能な限り満たすことができます。この修理コンセプトに基づいて、メーカーは戦場での一時的な交換専用の代替スペアパーツの 3 次元数学モデルを設計できます。

3) 戦時中にスペアパーツや修理工具を迅速に製造するために使用されました。設備システムがますます複雑になるにつれて、設備部品の種類と量が多くなり、損傷の種類も多様化し、スペアパーツや修理ツールをタイムリーに供給することが不可能になっています。3Dプリントは、損傷した設備の緊急修理ニーズを満たすために、スペアパーツやツールを迅速に製造できます。まず、戦時装備のスペアパーツを迅速に製造することができます。戦時中、技術サポート担当者は、保存されている部品の 3 次元デジタル画像をいつでも使用してスペアパーツを素早く印刷し、損傷した機器の緊急修理に効果的なソリューションを提供できます。第二に、戦時整備用具や装備を迅速に生産することができます。 3D プリント技術を使用すると、最前線の保守担当者は、事前に作成されたデジタル図面に従って、現場で保守に必要な保守ツールや機器を印刷できます。必要に応じて、後方ラインの設計者は、最前線の保守ニーズに基づいて新しい保守ツールと機器を一時的に設計し、最前線に配備された 3D プリンターを使用してカスタマイズされた保守ツールを製造することができます。 NASA は、宇宙飛行士が必要とするツールやスペアパーツを印刷するために、宇宙ミッションでの 3D 印刷技術の使用を積極的に検討しています。

4) 設備保全・サポートモデルの革新的開発を推進する。 3Dプリント技術は、戦闘中の前方整備や損傷の即時修復を実現するための重要な技術手段であり、随伴支援、前方支援、装備の検査・整備においてその利点がますます実証されています。

1つ目は、フォワードメンテナンスを設備保全保証の重要な手段とすることです。 3Dプリント技術の開発と応用により、装備のメンテナンスおよびサポート機関を戦闘地域にできるだけ近い場所に配置することが可能になります。これにより、最前線の戦闘部隊に必要なさまざまなメンテナンスサービスをタイムリーに提供し、部隊の永続的な戦闘効果を確保できます。

2つ目は、新たな戦闘空域における整備支援の主手段として随伴支援を位置づけることです。情報戦の状況下では、今後の作戦範囲はより広くなり、戦闘空間はより多様化します。宇宙作戦や海洋作戦などの新しい戦闘スタイルは、部隊の装備の保守とサポートにさらに大きな困難をもたらします。随伴サポート用の3Dプリント装備を装備することで、空間と地域の制限を突破し、臨時修理時に「持参したスペアパーツが使用できない、必要なスペアパーツが持参されていない」などの顕著な問題をよりよく解決できます。

3つ目は、部隊の装備の戦闘準備態勢を向上させるために、装備の点検と整備を効果的な手段とすることです。現在、軍隊における装備の検査とメンテナンスの作業量が多く、効率が低い。各検査とメンテナンスは特定の種類の装備に対してのみ実行でき、効果は限られている。軍隊が検査とメンテナンスを行う際に3Dプリンターと印刷材料を装備できれば、軍隊のメンテナンスニーズを満たすだけでなく、メンテナンスの適応性を高め、装備の検査とメンテナンスの効率を大幅に向上させることができる。

5) 設備保全計画の科学的確立を推進する。設備保守・サポートシステムにおいて、設備修理計画の設定は設備保守・サポート能力の向上に大きな影響を与えます。3Dプリント技術を使用することで、設備製造・設計部門は、部品の信頼性、保守性、サポート性などの指標に基づいて、設備や部品の3Dプリント修理計画を事前に設計することができます。

まず、部品を修理レベルに応じて分類します。どの部品が主要部品であるかを判断するための調査が行われ、部品の損傷確率、部品の修理対応時間、部品の印刷時間、部品の材料特性、部品の分解などの指標が決定されます。これらの特性に応じて、3Dプリント可能な主要部品が分類されます。

2つ目は、部品の修理方法を確立することです。スペアパーツの直接交換、3Dプリントによる迅速な付加製造、3Dプリントによる現場修理、スプライシング修理など、修理方法は多岐にわたります。 3つ目は、多段階の修理計画を立てることです。戦場の状況、設計条件、使用条件に応じて、3Dプリント修理技術手段を故障カテゴリに合わせます。戦場の緊急性に応じて、多段階の修理計画を立て、設備のメンテナンス効率を向上させます。

3. 設備メンテナンスにおける3Dプリント技術の応用を推進する 保守・サポートに関する考察保守・サポート能力の急速な向上と装備保守・サポートシステムの大きな変化に焦点を当て、我が国と軍事大国間の保守・サポート能力の格差を継続的に縮めるために、国家および軍事デジタル製造発展計画の枠組みの下で、装備保守・サポート分野における3Dプリント技術の応用展望を十分に把握し、以下の考え方を行う必要があります。

1) 軍事上の必要性を明確にする。 3D プリント技術の開発と応用に対する軍の需要は、我が国の軍隊が装備の保守とサポートの分野で 3D プリント技術を広く使用することを導くための重要な前提条件です。全体的な需要の観点から見ると、3Dプリント技術は軍事装備の保守・サポートにとって重要な技術手段であり、部隊の戦闘効果の倍数となり、情報戦装備の保守・サポートにとって破壊的なイノベーションとなることは明らかです。装備の保守・サポート分野における3Dプリント技術の応用方向と重要な技術突破口を見つける必要があります。戦闘任務の要件の観点からは、装備の保守・サポートタスクから始めて、3Dプリント機器の構成要件、印刷材料の調達要件、部品の3次元デジタルモデルに対する要件を決定します。技術開発のニーズの観点からは、インターネットとオープンソースのアイデアに基づくデジタル製造技術の発展の観点から、わが軍の3Dプリント技術、材料技術、ソフトウェア研究開発技術の開発優先順位を決定します。

2) 開発目標を明確にする。国内外の3Dプリント技術の現在の開発状況と、我が国の保守・サポート分野における3Dプリント技術の応用展望とニーズに基づいて、短期および長期の目標を明確にします。短期目標（2015～2020年）は、金属成形や非金属成形などの3Dプリント技術を開発し、ラピッドプロトタイピングからラピッドモールド、ラピッドパーツ、ラピッドツールまでの3Dプリントの発展を加速し、3Dプリントの精度と速度をさらに向上させ、印刷コストを削減し、より多くの印刷材料を開発し、設備のメンテナンスとサポートにおける3Dプリントの割合を増やすことです。長期目標（2020～2030年）は、インテリジェント構造や生体材料成形などの3Dプリント技術を開発し、セラミック材料や生体活性材料の3Dプリントにおけるブレークスルーに重点を置き、ラピッドプロトタイピングから製品開発、量産まで3Dプリントの進歩を加速し、当初は3Dプリントされたメンテナンスキャビンを備えたスペースと、現地の材料を使用して部品を3Dプリントする能力を備えることです。

3) 技術開発ルートを策定する。機械製造、自動制御、コンピュータ、材料科学などの分野で広範な研究を展開し、CAD/CAM技術、データ処理技術、材料技術、レーザー技術、コンピュータソフトウェア技術などの技術の研究と応用を強化します。3D成形技術の基礎技術、プロセス制御、プロセスモデリング、分析などの研究を強化します。デジタル設計と分析、複雑な構造機能部品の3Dプリント製造、バイオ添加剤製造、超精密添加剤製造など、3Dプリントに関する最先端技術研究を展開します。高エネルギービームに基づくステレオリソグラフィーモデリング技術、選択的レーザー焼結技術と薄肉材料選択切断技術、液滴押し出しに基づくジェットラピッドプロトタイピング技術、選択的溶融堆積技術などを継続的に開発します。3Dプリントの精密制御技術、高効率製造技術、複合材料添加剤製造技術などの技術を積極的に開発します。

4) 実施策の提案

1つ目は、組織管理を強化し、3Dプリント技術の開発と応用に対する政策支援条件を整えることです。国家レベルでの3Dプリント技術の発展の計画と設計を重視し、統一された開発計画、統一された資源配分、統一された技術システム、統一されたインフラ建設を実現し、3Dプリント技術の開発と応用の科学的実施を確保し、計画の混乱や基準の不一致を防ぐ必要があります。

2つ目は、3Dプリンティング技術の発展と設備の保守・サポートへの応用を基礎的に支援するために、基礎調査や技術基準・仕様に関する研究を行うことです。国家および軍事デジタル製造発展計画の枠組みの下で、製造原理、方法、プロセス、材料の研究と革新を強化し、3Dプリント用の材料をさらに開発し、3Dプリントの成形精度と印刷速度をさらに向上させます。軍と民の技術基準の統合を推進し、材料の性能基準、ソフトウェアインターフェース基準、製造品質基準、製造プロセス仕様、コンポーネントの性能基準を研究し、保守およびサポート分野における3Dプリント技術の応用に関する標準システムの構築を加速します。

3つ目は、より多くのスペアパーツの印刷ニーズを満たすために、3Dプリント材料とソフトウェア技術の研究開発を強化することです。 3Dプリント材料とソフトウェア技術の研究開発と突破は、3Dプリント技術の推進と応用の基礎であり、スペアパーツの印刷と部品の修理と再生に対応するための基本的な保証でもあります。セラミックスと複合材料、インテリジェント材料と構造、生体材料と能動臓器再建などの材料の研究開発を強化し、完全な印刷材料システムを形成し、我が国のデジタル化とインテリジェント化レベルを推進し、3Dプリントソフトウェア設計技術の研究開発を強化しなければなりません。

4 結論3D プリント技術は、まさに新たな産業革命を推進する可能性のある破壊的な革新技術であるため、世界から大きな注目を集めています。 3Dプリント技術は、兵器装備の設計、製造、使用サポートの分野で広く使用されており、将来の情報戦装備の保守およびサポート分野で重要な役割を果たすことは間違いありません。我々は軍隊の装備の保守・サポートのニーズに焦点を当て、組織管理を強化し、技術基準と仕様に関する基礎研究と研究を徹底的に実施し、3Dプリント技術の開発目標を明確にし、3Dプリント技術の開発ルートを策定し、情報条件下での装備の保守・サポート能力の向上、装備の保守・サポートの変化と革新の促進に重要な技術手段と理論的サポートを提供する必要があります。

さらに読む:
南極のクマの徹底分析 - 3D プリント技術が武器や装備の開発に与える影響

編集者：Antarctic Bear 著者：Guo Jizhou、Wu Ji、Deng Qiwen（国立国防科学技術および兵器装備開発戦略研究センター、国立国防科学技術大学）

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