【分析】軍事分野における3Dプリント技術の応用と発展動向

新しいタイプの製造技術である3Dプリント技術は、従来の機械加工とはまったく異なる加工概念を持ち、金型や機械加工を必要とせず、設計された3次元モデルに従ってあらゆる形状の部品を直接加工できるため、加工サイクルが大幅に短縮され、プロセスの複雑さが軽減され、生産効率が効果的に向上します。実用的なニーズと世界各国の政府からの強力な支援により、3D プリント技術は急速に発展しました。住宅から金や銀のジュエリーまで、あらゆるものが 3D プリント技術で作ることができます。現在、3Dプリント技術は軍事・民間の分野で広く利用されており、具体的には航空宇宙、兵器・装備、工具設計、医療、建設などさまざまな業界で利用されています[1]。

1 3Dプリント技術の原理と分類
3D 印刷技術は、積層製造技術です。その動作原理は、使用する印刷材料が異なることを除いて、従来のプリンターと似ています。3D プリンターの構造はより複雑で、よりインテリジェントであり、さまざまな製品や材料に基づいて最終製品や部品をすばやく印刷できます。 3Dプリント技術の原理は次のとおりです。①設計者は3Dソフトウェアを使用して、特定のニーズに応じて部品の3Dモデルを設計します。
②設計された3次元モデルを階層化し、階層化・構造情報に基づいてプログラミングを行う。
③設計された3DモデルをSTL形式に変換して3Dプリンターに入力し、部品の具体的な要件に応じて金属粉末、プロセスタイプなどを選択します。
④準備ができたら、平面内で断面形状になるように接着し、さらに平面に垂直な方向に層ごとに積み重ねて、最終的に立体物を形成します。

3D 印刷技術のプロセスは、従来の切断技術のプロセスとは逆です。両者の比較は表 1 に示されています。3D 印刷技術の主なタイプには、熱溶解積層法 (FDM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、選択的レーザー溶融法 (SLM)、ステレオリソグラフィー (SLA)、電子ビーム溶融法 (EBM)、積層造形法 (LOM) などがあります。具体的なタイプと特性は表 2 に示されています。
表 1 3D 印刷技術と従来の切削技術の比較特徴項目 3D 印刷技術従来の切削技術製造方法積層造形切削造形製造手順直接印刷と成形プロセスによる処理製造サイクル短い長い製造精度管理と検査が必要高い製造プロセスシンプル複雑金型要件不要必要低コスト高くて複雑な一体成形部品実現しやすい実現が難しいパーソナライズされた製造実現できる実現が難しい表 2 3D プリント技術の種類と特性プロセス材料用途代表的な企業熱溶解積層法ブタジエンスチレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレン成形 Stratasys (米国) Beijing Yinhua Company (中国) 選択的レーザー焼結法ポリカーボネート、ポリスチレン、軟鋼、アルミニウム、銅成形、直接部品製造 EOS (ドイツ) 3Dsystems (米国) 選択的レーザー溶融法チタン合金、ニッケル基高温合金、ステンレス鋼成形、直接部品製造 Renishaw (英国) Wuhan Binhu Electromechanical (中国) 光造形法アクリル感光性樹脂、ビニルエーテル感光性樹脂、エポキシ感光性樹脂成形 3Dsystems (米国) Envisiontec (ドイツ) 電子ビーム溶融法ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、工具鋼成形、直接部品製造 ArcamAB (スウェーデン) 積層造形法 ABS、PVC、ポリカーボネート、チタンナイトライト、セラミックス、ポリエステル成形、直接部品製造 Helisys (米国) Kira (日本)

2 3Dプリント技術の発展の概要 Wohlers Associatesが発表した2013年の年次報告書によると、3Dプリンター機器が最も多く存在する国は米国、日本、ドイツ、中国です。これら4か国が所有する3Dプリンター機器の割合は、世界の3Dプリンター機器のそれぞれ38%、9.7%、9.4%、8.7%を占めています[3]。 3Dプリンティング技術の各分野における応用割合は、民生用電子機器が20.3%、自動車が19.5%、医療が15.1%、航空宇宙が10.91%、産業用・商業用機械が10.8%、科学研究が7.91%、政府・軍事が6.31%、建築・地理情報が4%、その他が5.17%となっている[4]。発展の傾向から判断すると、3Dプリント技術の航空宇宙および医療分野への応用が最も急速に成長しており、3Dプリント業界は航空宇宙や医療機器などのハイエンド分野で利益を上げています。軍事分野における3Dプリントの割合は現時点ではそれほど大きくありませんが、近い将来、3Dプリント技術は間違いなく軍事分野で広く使用されるでしょう。

3 軍事分野における3Dプリント技術の応用
3.1 武器と装備の開発 3Dプリント技術を利用して武器や装備を開発する場合、エンジニアは実際の要件に基づいて創造的な検証と金型製作を行うことができます。一部の特殊で複雑な構造部品を直接印刷できると同時に、構造部品の軽量化を効果的に実現できます。

3.1.1 航空宇宙機器 最終的なジェットエンジンは、米国のGEアビエーション社が3Dプリント技術を使って製造した。同社は3Dプリント技術を次世代の軍用エンジンの研究開発と製造に応用する計画だ。 737 UAV モデル PETRA の主要コンポーネント (エルロン、燃料タンク、フラップ、操縦翼面など) は 3D プリント技術を使用して製造され、完璧な飛行テストを達成しました。国際宇宙ステーションの微小重力製造プロジェクト向けにアメリカン・スペース・マニュファクチャリング・カンパニーが特別に設計した3Dプリンターが、NASAの最終検証テストに合格し、国際宇宙ステーションに送られた。 F-35航空機の3メートルのチタン合金製翼部品、F-15ファルコンジェット戦闘機の鉄合金製外部翼リブスペアパーツ、UH-60ヘリコプターのドアハンドルなど、今日の先進的な軍用航空機の関連部品は、3Dプリント技術を使用して製造されています。従来のプロセスと比較して、コストが大幅に低く、3Dプリント技術がコスト面で一定の利点を持っていることが証明されています[5]。

我が国はJ-10航空機の開発に10年近くを費やしましたが、空母搭載型J-15航空機はわずか3年で開発に成功しました。主要部品に3Dプリント技術を採用したことで、研究開発サイクルが大幅に短縮されました。現在、J-20とJ-31は開発プロセスに3Dプリント技術を採用しています。 COMACと北西工科大学は共同でこの問題に取り組み、3Dプリント技術を使用してC919大型航空機の中央翼スラットを製造した。 AVIC第一飛行研究所と北京航空航天大学は協力し、完全な3次元デジタル設計技術と最新の3D印刷技術を組み合わせ、強度、剛性、機能的使用の要件を満たす多数の航空機部品を印刷しました。

3.1.2 海軍装備 米海軍は、軽量かつ低コストで戦闘性能要件を満たすドローンを生産するために、研究、開発、設計、生産に3Dプリント技術を活用する予定です。米海軍は、航空母艦、巡洋艦、駆逐艦を移動式の洋上3Dプリント工場に改造し、関連する武器や装備品のオンデマンド印刷を可能にし、艦上スペースの利用率を向上させる計画を立てている[6]。

3.1.3 小型武器および装備 アメリカの会社ソリッド・コンセプツは、3Dプリント技術を使って世界初の金属製銃を製造し、テストに成功した。3Dプリントされた金属製銃は30以上の部品で構成されている。テストの結果、3Dプリントされた銃は従来の銃よりも射程距離がわずかに劣るものの、精度は同等だった。 AR-15半自動小銃の弾倉やその他の部品も3Dプリント技術を使って製造されており、600回以上の発射が可能で、全体的な性能も良好です。現在、3D プリント技術を制限している問題は材料です。金属粉末材料の問題が解決されれば、3D プリント技術は軽兵器の設計、製造、メンテナンスに広く使用されるようになるでしょう。

3.2 武器と装備のメンテナンス 3Dプリント技術の急速な発展に伴い、武器や装備のメンテナンスの分野にも応用されており、応用の見通しは良好です。 3Dプリント技術の使用により、戦時装備のメンテナンス用スペアパーツやメンテナンスツール、機器の迅速な製造が可能になり、戦時メンテナンスとサポートの効率が大幅に向上します。米軍は過去数年にわたり3Dプリント技術を活用し、アフガニスタンの移動式ラボに試作・印刷装置を配備し、戦闘で損傷した航空機や地上車両を修理するシステムを開発してきた。アメリカの企業であるオプトメックは、3Dプリント技術を使用して、米空軍の高価な航空機金属部品を修理しています。アニストン陸軍基地は3Dプリント技術を使用してM1エイブラムス戦車のガスタービンを修理し、その効果は明らかに期待通りの成果を上げました。米海軍水中戦闘センターは、3D プリント技術を使用して古い部品や工具を修復しました。

3.3 迷彩防護装備の製作 大規模な戦争の可能性は現在非常に低く、一般的には参加者の少ない局地的な戦争です。彼らは戦場で常に身を隠し、身を守り、敵をより効果的に攻撃する必要があります。一部の防護迷彩装備では、その特性が周囲の背景と可能な限り一致することが求められ、持ち運びや展開を容易にするために重量が可能な限り軽量であることが求められます。 3Dプリント技術を使用すると、特定の戦闘環境と実際の戦闘要件に応じて、迷彩や防護装備を迅速かつ正確に製造できるため、迷彩された目標をより適切に隠蔽し、戦闘員が戦闘効果を最大限に高めることができます。

3.4 物流サポート 今後の戦争は情報化戦争となり、3Dプリント技術の応用により戦場支援方法に大きな変化がもたらされるでしょう。現在の兵站支援は後方からの補給が中心だが、今後は戦場での「DIY」（Do It Yourself）が中心になる。いわゆる「DIY」とは、戦場にいる兵士たちが実際の必要に応じて物資や食料、医薬品などを作ることを意味する。

3.5 医療部品および救助機器の製造 現代社会は人権を重視し、人間中心の社会です。世界中の軍隊はあらゆる手段を駆使して戦場での死傷者ゼロを目指しており、迅速かつ効果的な医療救助はその有効な手段の一つです。しかし、戦場の環境は予測不可能であり、影響要因も多く、兵士が負傷すると、戦場の緊急救助に大きな影響が出ます。兵士に可能な限りタイムリーな救助を提供するために、3Dプリント技術を戦場で使用して、負傷した兵士の具体的な状況に応じて対応する臓器やツールを製造することができます。例えば、骨折した兵士のために添え木や装具を作ったり、関節を負傷した兵士のために関節を印刷したり、目を負傷した兵士のために眼帯や特殊な眼鏡を作ったり、足を切断した兵士のために義肢を作ったり、足を負傷した兵士のために特別な靴を作ったりすることができます。[7]

4 3Dプリント技術の今後の発展動向 将来の兵器や装備の研究開発と生産のニーズ、そして現代戦争のニーズに応じて、今後の 3D プリント技術の発展は主に以下の側面に反映されます。

（１）武器・装備品の部品の多様なニーズに応えるため、材質の多様性を向上させる。 3Dプリント技術の急速な発展と印刷材料の需要の増加に伴い、国内外での粉末製造プロセスも急速に発展しました。
（２）３Ｄプリンティング技術と従来の製造技術を組み合わせることで、３Ｄプリンティング技術の速度、効率、精度を向上させることができる。
（３）３Ｄプリンティングシステムは、戦場での迅速かつ正確な支援の要求を満たすために小型化の方向に発展している。米軍が戦場の兵士向けに小型の3Dプリンターを開発したと報じられており、兵士のバックパックに入れて戦場で使用できるという。
（4）3Dプリントソフトウェアの統合を改善し、CAD/CAPP/RPの統合を実現し、兵器装備の研究開発や損傷部品の修理の対応速度を向上させる。
（５）既存のネットワークプラットフォームを最大限に活用し、遠隔３Dプリント技術を開発する。

5 結論
3D プリント技術は、従来の製造技術を転覆するものではなく、従来の製造技術を強化し、改善するものです。 3Dプリント技術の活用により、一方では設計者や開発者の設計アイデアが広がり、他方では従来の製造技術では実現が困難または不可能であった超複雑な部品の加工が容易になりました。 3Dプリント技術は武器装備の設計に応用されている

生産段階では、新型兵器の設計開発サイクルを短縮し、国防費を大幅に節約し、兵器・装備の性能と生産効率を根本的に向上させることができます。

編集者: Antarctic Bear 著者: Zhou Jiayong、Ji Pingxin、Mo Xinmin、Zhang Ang、Meng Xiaojing、

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