[乾物] 3Dプリント技術が航空機製造業の発展に与える影響

新しい材料、新しいプロセス、新しいロボット、そして新しいネットワーク化された共同製造サービスにより、生産はより経済的、効率的、柔軟、そして合理化されます。 3Dプリント技術は「第三次産業革命の重要な象徴」として、新たな産業革命を推進する重要な機会であると考えられており、世界中から幅広い注目を集めています。最先端かつ先駆的な新興技術である 3D プリント技術は、従来の製造方法とプロセスに大きな変化をもたらしています。 3D プリンティング技術は、革新的な「製造の柔軟性」と「原材料の大幅な節約」により、製造業界に革命をもたらします。多品種、小ロット、複雑な構造、原材料価値の高い構造物の製造に最適であり、航空機製造分野での幅広い活用が期待されています。

1 3Dプリントの主流の技術手段
3D プリント技術の原理は、設計またはスキャンによって作成された 3D モデルを特定の座標軸に沿って無限の数のセクションにカットし、それらを層ごとにプリントアウトして元の位置に積み重ね、固体の 3 次元モデルを形成することです。ラピッドプロトタイピング技術を使用する方法は多数あります (図 1)。より主流の方法には、ステレオリソグラフィー (SLA)、積層造形法 (LOM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM) などがあります。

1) ステレオリソグラフィーステレオリソグラフィー（図2）は、1980年代後半に米国の3D Systems社によって導入されました。液状の感光性樹脂を樹脂タンクに充填し、レーザービームの照射により急速に固化させ、その後作業台を薄膜1層分の高さまで下げ、2層目のレーザースキャンと固化を行い、製品全体が完成するまでこの工程を繰り返す方法です。

2) 積層体製造の供給機構は、底面にホットメルト接着剤が塗布された箔材を、作業台の上部にセクションごとに供給します。レーザー切断システムは、コンピュータによって抽出された断面輪郭に従って、CO2レーザービームを使用して、作業台上の紙を箔の輪郭線に沿って切断し、紙の非輪郭領域を細かく切断します（図3）。

3) 選択的レーザー焼結プロセス選択的レーザー焼結（図4）は、CO2レーザーを使用して粉末材料（プラスチック粉末、セラミックとバインダーの混合粉末、金属とバインダーの混合粉末など）を選択的に焼結します。これは、個別の点を層ごとに積み重ねて 3 次元エンティティを作成するプロセスです。

4) 堆積成形堆積成形法は、成形エネルギー源としてレーザーに頼らず、各種線材を加熱溶融して成形する方法である（図5）。

2 3Dプリンティング技術と産業の発展
3D プリント技術には長い歴史があります。 1986年、アメリカの3D Systems社が初の工業用「3Dプリンティング」機器を発売し、1990年に販売が開始され、わずか数年で巨大な市場が形成されました。 3Dプリンター設備の応用には2つの方法があります。1つは、ボーイング、ゼネラルモーターズ、フォード、ダイムラークライスラー、IBM、アップル、トヨタなどの3大自動車会社のような大企業が自社製品向けにサービスを展開する方法です。もう1つは、大学、研究機関、さらには6～7人で組織されたサービス機関が、1台または数台の成形機を中心に中小企業にサービスを提供する方法です。現在、世界には3Dプリンター製造の大手企業が2社あり、3D SystemsとStratasysの両社は米国上場企業です。2011年の営業収益はそれぞれ2億3,000万ドルと1億6,000万ドルでした。 3D プリント業界の市場規模は 2011 年に 17 億米ドルでした。

現在、ラピッドプロトタイピング技術の市場応用シェアは図6に示されており、そのうち航空宇宙分野が約8%を占めています。 1990年代以降、国内の多くの大学が3Dプリント技術の独自の研究開発を行い、産業化を実現してきました。西安交通大学、清華大学、華中科技大学、北京龍源公司、中航重機レーザーなどの機関や企業は、代表的なラピッドプロトタイピング設備、ソフトウェア、材料などの研究と産業化において大きな進歩を遂げています。我が国のラピッドプロトタイピング技術の研究は基本的に国際レベルと同期していますが、新しいラピッドプロトタイピング技術設備の開発と応用においては諸外国に遅れをとっています。海外の航空分野におけるラピッドプロトタイピング技術の適用率は8％を超えていますが、我が国におけるこの点での適用率は非常に低いです。わが国の企業における3Dプリンター設備の設置台数は約400台と推定され、2010年以降の年間成長率は約70％、市場規模は1億人民元を超えています。

3 航空分野における3Dプリント技術の応用 欧米では、3Dプリンティング技術は航空宇宙分野のレベル向上を支える重要な技術の一つとみなされています。航空分野における 3D プリント技術の応用は、主に形状検証、直接製品製造、精密インベストメント鋳造の試作品製造の 3 つのカテゴリに集中しています。

1) 海外出願 ボーイングは、電子機器に冷気を送る複雑な形状のダクトなど、約300種類の航空機部品の製造に3Dプリントを活用している。ボーイングとハネウェルは現在、翼などの大型製品を印刷するために3Dプリント技術の使用を検討している。エアバスは、A380 機内に 3D プリントされた荷物棚を採用し、タイフーン戦闘機には 3D プリントされた空調システムを採用しています。エアバスは最近、「透明な航空機コンセプト」計画を提案し、航空機の小さな部品の印刷から始めて段階的に開発し、最終的には2050年頃に航空機全体を3Dプリンターで印刷するという「ロードマップ」を策定した。

この「コンセプト航空機」自体には、バイオニック曲線の胴体や、乗客が周囲の青空と白い雲を見ることができる透明なシェルなど、目もくらむほど複雑なシステムが多数備わっている。これらのシステムは従来の製造方法では実現が難しく、3Dプリントが近道となるかもしれない。 2012年11月20日、GE AviationはMorris Technologiesという3Dプリント会社を買収し、同社の3Dプリント技術を使ってLEAPエンジン部品を印刷する計画を立てました。 GE は今回の買収を新たな製造技術への投資と捉えており、新興素材や複雑な設計に対応するプロセス製造を開発する能力が GE の将来にとって極めて重要であると考えています。

2) 国内出願状況 AVIC Heavy Machineryのレーザー技術チームは、2000年頃から「3Dレーザー溶接ラピッドプロトタイピング技術」の開発に着手しました。現在、AVIC Heavy Machineryのレーザー製品は我が国の多くの新型軍用航空機に採用され、重要な役割を果たしています。 AVIC Heavy Machinery Laser は、軍用航空機に加えて、一体型ブレードディスクのアプリケーション市場や、大型の水上および水中船舶市場も開拓しています。北京航空航天大学は、産学研協力を通じてわが国の主要な航空機設計研究所と緊密に連携し、大型航空機や航空エンジンなど国家の重要な戦略的ニーズをターゲットにしています。17年間の研究を経て、チタン合金や超高張力鋼など、加工が難しい大型で複雑な一体型キーコンポーネントのレーザー成形プロセス、完全な設備、主要な応用技術において世界初の全面的突破口を開きました。また、大型航空機部品の生産において5世代、10種類以上の設備システムを開発し、10年近くにわたって実際のエンジニアリングアプリケーションでテストされており、わが国は現在までに大型チタン合金一体型キーコンポーネントのレーザー成形技術を習得し、設置エンジニアリングアプリケーションを成功裏に実現した唯一の国となっています。 2013 年 1 月 18 日、王華明氏と彼の研究開発チームは、「3D レーザーラピッドプロトタイピング技術」で国家技術発明賞の最優秀賞を受賞しました。

4 3Dプリントが生産方法を変える 従来の製造業と比較して、3D プリンティングは製造モデル、プロセス、サプライチェーンなどに大きな変化をもたらしました。

1) カスタマイズが新たな標準となる。製造モデルとしては、これまでは生産ラインによる大量生産が主流であったが、今後はデジタル化、パーソナライズ化、分散化されたカスタマイズ生産となり、大量の部品在庫や大量生産は不要となる。
2) 市場投入までの時間を短縮3D プリントでは、機械加工や金型を使わずにコンピューターグラフィックスデータから直接あらゆる形状の部品を生成できるため、製品開発サイクルが大幅に短縮されます。
3) 優れた製品性能3Dプリント製品は自然にシームレスに接続され、構造間の安定性と接続強度は溶接などの従来の方法よりも高くなります。
4) オープンな製品設計3D プリント製品の設計者と消費者は、インタラクションを通じて製品を改善できます。このインタラクションは双方向であり、消費者も自分で製品を設計できます。
5) オフショア経済モデルの変更3Dプリントは製品のサプライチェーンに大きな影響を与えます。生産拠点を選択する際に、人件費はそれほど重要ではなくなりました。代わりに、消費者に近づく方法を考慮する必要があります。従来のプロセスのサプライチェーンが短くなり、従来のオフショア経済モデルを変更できるようになります。

5 3Dプリンティング産業の今後の発展展望 業界全体としては、3D プリンティングの将来の発展の見通しについて楽観的です。工業情報化部は国家産業当局として、3Dプリント技術ロードマップと中長期開発戦略の研究と策定を組織し、3Dプリント技術仕様の改善と標準策定を推進し、3Dプリント産業の発展を支援するための特別な財政および課税政策を研究および策定する準備を進めています。科学技術情報化省も3Dプリンティングに関する戦略計画を検討・策定しており、近日中に発表される予定だと報じられている。ガートナーの 2012 年新興技術ハイプサイクルレポートによると、3D 印刷技術は現在、コンセプトのハイプのピーク段階に入っており、5 ～ 10 年以内に開発のピークに達すると予想されています (図 7)。

Wohlers Associates のレポートによると、世界の 3D プリンティング業界の生産額は 1988 年から 2010 年まで平均年間成長率 26.2% を維持しました。 3Dプリンティング業界の市場規模は2011年に17億米ドルでした。業界全体の生産額は2016年までに31億米ドル、2020年までに52億米ドルに達し、そのうち部品製造が80%を占めることになります。ラピッドプロトタイピングの応用分野に関しては、市場はさらに広範囲にわたります。 2012 年、ラピッドプロトタイピング製造の世界生産額は 230 億米ドルと推定され、2015 年には 350 億米ドルに達すると予想されています。 3D プリンティング技術が産業応用領域をさらに拡大したい場合、依然としていくつかのボトルネックと課題に直面しています。

まず、コスト面では、既存の3Dプリンターは依然として一般的に高価であり、さらなる普及と応用が困難になっています。
第二に、印刷材料に関して言えば、現在3Dプリントの成形材料は主に化学ポリマーを使用しており、選択に大きな制限があり、成形品の物理的特性が劣っており、一定の安全上のリスクがあります。
第三に、精度、速度、効率の面から見ると、 3Dプリント製品の精度はまだ不十分であり、印刷効率は大規模生産のニーズを満たすにはほど遠い。さらに、プリンターの動作原理の制限により、印刷精度と速度の間には深刻な矛盾が生じている。
第4に、産業環境の面では、 3Dプリント技術の普及により製品のコピーや拡散が容易になり、製造業が直面する著作権侵害のリスクが大幅に増加し、既存の知的財産保護メカニズムは将来の産業発展のニーズに適応することが困難になるでしょう。

3Dプリント技術の今後の発展における6つの主な動向 インテリジェント製造のさらなる発展と成熟に伴い、新しい情報技術、制御技術、材料技術などが製造分野で絶えず広く活用され、3Dプリント技術もより高いレベルに押し上げられるでしょう。今後、3Dプリント技術の発展は、精度、インテリジェント性、普遍性、利便性などの主要なトレンドを反映するでしょう。 3Dプリントの速度、効率、精度を向上させ、並列印刷、連続印刷、大規模印刷、マルチマテリアル印刷のプロセス方法を研究し、完成品の表面品質、機械特性、物理的特性を改善して、直接製品指向の製造を実現します。スマート材料、機能傾斜材料、ナノ材料、異種材料、複合材料など、より多様な3Dプリント材料を開発し、特に金属材料の直接成形技術は、将来の研究と応用のもう一つのホットスポットになる可能性があります。3Dプリンターは小型化され、デスクトップ化され、コストが低く、操作が簡単で、分散生産、統合設計と製造、日常の家庭アプリケーションのニーズにより適しています。ソフトウェアの統合により、CAD / CAPP / RPの統合を実現し、設計ソフトウェアと生産管理ソフトウェアのシームレスな接続を可能にし、設計者が直接制御するリモートオンライン製造を実現します。

3D プリント技術を航空機製造業界に統合するための 7 つの推奨事項 私の国は主要な製造国であり、3D プリント技術は多くの中国企業にとって破壊的な変化をもたらすでしょう。我が国の航空機製造業界は、この技術革命に向けて計画を立て、積極的に準備しなければなりません。
1）「生産、学習、研究、応用」の融合を推進し、応用分野を拡大し、産業チェーンを延長し、工業化の程度を向上させる。
2) 既存製品のデジタル版の開発や、3Dプリントに必要な対応するハードウェアおよびソフトウェアの開発など、製品の変更。
3) 製造プロセスと方法の変更。まず、既存の製造システムをインテリジェント化および自動化し、3D製造システムを導入して、3Dプリントによる付加製造と従来の減算製造を組み合わせて複合システムを形成します。既存の技術が完全に消滅するわけではないので、ハイブリッド製造システムは今後も長く存在し続けるでしょう。
4) ビジネスモデルを変更する。この新しい産業革命には、まったく異なる価値獲得と利益モデル、および関連するプロセス設計、リソース割り当て、組織形態が必要です。
5) いくつかの資本運用方法を通じて、コア技術を持ついくつかの3Dプリント企業を合併・買収し、コア製造能力と低コスト製造効率に焦点を当て、航空会社独自の価値曲線を作成することは、この産業革命で急速なキャッチアップを達成するための効果的な方法となる可能性があります。

編集者: 南極熊著者: 楊恩泉

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