【分析】石宇勝：3Dプリント技術の産業応用と産業発展

積層造形技術は30年以上の開発期間を経ていますが、その中でも重要な積層造形技術である3Dプリント技術は、製造プロセス重視の製品設計概念を突破し、性能重視の製品設計概念を実現しました。 3Dプリンティング技術には、設計理論や方法が不完全であること、印刷用の消耗品の種類が少ないこと、産業用印刷設備が高価であること、関連する応用研究が不十分であることなど、まだいくつかの問題がありますが、複雑な部品を全体として製造するのが難しいという問題を解決し、機械加工による原材料やエネルギーの無駄を減らすため、依然として人気が高まっています。

オバマ大統領は2012年に早くも、3Dプリント技術は米国製造業にとって大きな戦略的変化であり、製造業の活性化に重要な役割を果たすと提唱した。同大統領はこの技術を「まったく新しい生産方式」と定義し、その市場見通しは非常に明るく、新たな産業革命の発展の原動力となるだろうと確信していた。 2012 年 8 月、米国政府機関と企業が共同で投資し、米国オハイオ州に 3D プリント技術の研究に特化した革新的な研究機関を設立しました。これは、米国政府が 3D プリント技術をいかに重視しているかを示しています。

1. 3Dプリント技術の利点 材料加工と製品製造の分野では、材料を除去するかどうかによって、既存の加工と製造は、等材料製造、減法製造、および付加製造の3つのタイプに分類できます。

1.1 従来の処理技術の限界
3000年前、夏王朝末期に青銅鋳造技術が登場しました。青銅鋳造技術は、材料加工技術として、西周時代の先祖たちの継続的な探求により頂点に達し、侍女武定、思陽方尊、大玉定など、世界的に評価の高い青銅芸術品が数多く誕生しました。人類の生産性の向上と製鉄技術の出現により、鉄製の道具が使われるようになり、特に鋳鉄製の農具が広く普及したことで、農業文明期の生産性の発展の重要な象徴となり、社会全体の技術基盤全体に大きな変化をもたらしました。さらに、もう一つの代表的な材料加工技術である鍛造技術は、切削工具や武器の製造において大きな意義を持っています。

第一次産業革命の時代に、切削加工技術（旋削、フライス加工、研削など）が減法加工技術として登場すると、加工時間が短い、製品表面粗さが低い、精度が高い、大量生産に便利などの利点から、急速に発展し、広く使用されるようになりました。 21世紀に入り、産業用途における製品に対する要求はますます高まり、製品の構造はより複雑になり、個々の部品のサイズはますます小さくなっています。同時に、企業は製品開発サイクルを短縮し、研究開発コストを削減する必要があります。現在、従来の加工技術では、複雑な部品を製造し、新製品を開発するという企業のニーズを満たすことがますます困難になっています。また、省エネと環境保護は現代の製造業の発展の潮流となっており、鋳造や鍛造の際には大量の廃熱が発生し、切削加工でも大量の材料廃棄物が発生し、時代の主流に合っていません。

1.2. 3Dプリント技術の特徴
3D プリント技術は、付加製造技術として、従来の製造技術の 4 つの複雑さの問題、すなわち、形状の複雑さ、材料の複雑さ、階層の複雑さ、機能の複雑さを打破しました。
1) 形状の複雑さ。 3D 設計ソフトウェアで設計されている限り、ほぼあらゆる複雑な形状を 3D プリント技術で製造できます。
2) 材料の複雑さ。図 1 (a) に示すように、3D 印刷技術を使用すると、フルカラー、異質、機能的に傾斜した材料構造をすべて実現できます。
3) 階層的な複雑さ。原子プリントや細胞プリントなどの従来の加工技術では実現が難しいマルチスケール（マクロ、メソ、ミクロ）を実現できます。
4) 機能の複雑さ。複雑な構造を持つ部品の場合、3D プリント技術により全体的なプリントと成形が可能になり、複雑な部品を分解して溶接することで生じる質量の増加や潜在的な品質欠陥を回避できるほか、複雑な部品の組み立ても不要になります。図1(b)に示すギアセットは3Dプリント技術によって一体成形されており、ギアは回転することができます。

3Dプリンティングは、仮想デジタル実体モデルを直接製品に変換することで、生産プロセスを大幅に簡素化し、研究開発コストを削減し、研究開発サイクルを短縮し、任意の複雑な構造部品の生産を可能にし、機能指向の製品設計に大きな推進力をもたらします。

2. 3Dプリンティング技術の産業応用の現状
3D プリント技術は、その優れた技術的特性により、現代の製造システムに急速に統合されてきました。直接一体成形において独自に発展し、独自性を発揮できるだけでなく、鋳造、機械加工、熱間静水圧プレスなどの伝統的な製造プロセスと相互統合して、伝統的な製造業を変革し、アップグレードすることもできます。

2.1 3Dプリントで直接全身を造形する 自動車や航空機の製造分野では、3Dプリント技術により、大型で複雑、特殊な形状の重要部品の迅速な総合製造を実現し、重要部品の開発と製造を加速し、革新能力とレベルを向上させることができます。例えば、3Dプリントを通じて、炭素繊維複合材料を直接使用して、自動車や航空機のシェルを一体的に形成することができます。自動車製造に 3D プリント技術を使用すると、車体の厚さを必要に応じて変更して最適な軽量化を実現できます。さらに、3D プリントでは、製造プロセスを考慮せずにより複雑な車の輪郭を実現できるため、より優れた空力性能を実現できます。

図 2 は、車全体の部品数がわずか 50 個 (従来の製造方法ではダッシュボードだけで数千個の部品が必要) の 3D プリント車を示しています。これにより、重量が 50% 削減されます。この車は 37.85L のガソリンを使用し、時速 112.65km で米国の東西を横断できます。図3は、英国サウサンプトン大学が開発した世界初の3Dプリント航空機です。この航空機の翼幅は1.98m、最高速度は160.93km/hです。ネジを必要とせず、組み立ても簡単です。ボーイング社が3Dプリント技術を用いて製造した無人航空機「ファントムレイ」の翼幅は15.24メートル、全長は10.97メートル。

3D プリント技術は、複雑で高性能なプラスチック部品を直接形成するためにも使用できます。米国のF/A-18戦闘機の配管システムとボーイングの高高度航空機の吸気管は、どちらも3Dプリント技術を使用して直接製造されています。アメリカのエアロメット社がレーザー3Dプリント技術を使用して製造した二次荷重支持構造部品が、F/A-18戦闘機に搭載され、検証されました。 NASA がプリントした高温合金ノズルは 3315°C の燃焼温度に達することができ、オーストラリアのモナッシュ大学がプリントした新しいジェットエンジンは新しい設計コンセプトの検証に使用できます。米国のGE（ゼネラル・エレクトリック）は、3Dプリント技術を使い、20個の部品で構成されるエンジンノズルを1つの部品に統合して印刷することで、重量を25％削減し、効率を15％向上させ、85,000個の部品受注を獲得し、GEのエンジン性能を一世代向上させた。さらに、3D プリント技術は環境に優しく持続可能な製造を実現します。統計によると、温室効果ガス排出量の48%は製造業によるもので、3Dプリント技術の利用により温室効果ガス排出量を効果的に削減することができます。図4は航空機客室の部品で、図4(a)は機械加工、図4(b)は3Dプリントされたものです。表1からわかるように、3Dプリントに必要な原材料の質量は機械加工の1/8に、最終製品の品質は機械加工の3/8に、エネルギー消費量と温室効果ガス排出量は機械加工の1/5に抑えられ、材料と重量の削減に成功しています。

2.2 3Dプリントと従来の鋳造技術の組み合わせ 3Dプリント技術と従来の鋳造技術の組み合わせにより、航空宇宙などの分野の主要部品の開発と製造が加速され、航空宇宙や国防分野の大型で複雑かつ特殊な形状の主要部品の総合的な製造が迅速かつ低コストで実現され、関連分野のイノベーション能力とレベルが向上しました。

かつて、戦車のタービンディスクは、最初に型を使用してワックスモデルを作成し、次に鋳造プロセスを使用して鋳造するインベストメント鋳造によって処理されていました。 3D プリント技術の登場により、ワックスモデルを直接印刷できるようになり、関連する金型製造の時間とコストを節約できるようになりました。図5は、大型輸送機のチタン合金製航空機エンジンケースの鋳造工程を示しています。ケースの直径は1.2m、最小壁厚は3mmです。構造が複雑なため、従来は最初に個別に鋳造してから溶接して製造していました。 3Dプリント技術を使用することで、CAEソフトウェアでシミュレーションした後、内部ケースの鋳型全体を印刷し、最終的に全体を鋳造することができます。全体の重量が20％削減され、欠陥が90％削減されるだけでなく、製造効率も従来のプロセスと比較して6倍以上向上します。

さらに、6気筒ディーゼルエンジンのシリンダーヘッドの一体成形や原子力ポンプの全体的な高速精密鋳造に3Dプリント技術を適用し、良好な成果を達成しました。

2.3 3Dプリントと従来の金型製造技術の組み合わせ

3D プリントと従来の金型製造技術を組み合わせることで、複雑な金型の冷却効率が向上し、製品の欠陥が減り、製造サイクルが短縮され、製造コストが大幅に削減されます。従来の射出成形の冷却では、冷却に直穴ドリル方式が採用されていますが、冷却効果は理想的ではありません。製品の生産効率と品質に対する要件がますます高くなるにつれて、今日の射出成形金型には通常、図 6 に示すようにコンフォーマル冷却チャネルが備わっています。現在、機械加工と選択的レーザー溶融（SLM）の組み合わせは、金型や産業用工具の分野で広く使用されています。たとえば、機械加工されたベースでは、SLM 技術を使用してコンフォーマル冷却チャネルを機械加工し、最高の冷却効果を得ることができます (図 7 を参照)。

実験比較の結果、3Dプリントされたコンフォーマル冷却金型インサートは、冷却効果が顕著で、冷却サイクルは24秒から7秒に短縮され、68%以上短縮されました。平均射出温度は95°Cから68°Cに低下し、温度勾配は12°Cから4°Cに低下しました（温度勾配が大きすぎると、成形されたプラスチック製品に反り変形が発生します）。不良率は60%から0%に低下し、製造速度は3個/分に向上しました。

2.4 3Dプリントと従来の熱間静水圧プレスプロセスの組み合わせ 伝統的な熱間等方圧プレス（HIP）技術は、高温と高圧を統合した生産技術です。粉末材料を密閉容器に入れ、製品の全方向に均等な圧力を加え、同時に高温を加えます。高温と高圧の作用により、粉末材料を緻密化できます。熱間等方圧プレス技術の主な用途:

1) 粉末を直接加熱・加圧して焼結する。
2) チタン合金、高温合金、収縮および収縮空洞を必要とするその他の鋳物を含む成形された鋳物に対して緻密化処理を実行し、鋳物の全体的な機械的特性を改善します。 3Dプリント技術と組み合わせると、部品を一体化して作ることができ、部品の性能は鍛造品に近くなります。

図8は、特殊な要件を持つ部品を示しています。外殻は複雑な形状をしており、内部の充填材には特殊な特性が必要です。まず、3D プリント技術を使用してシェルを作成し、次に異種の粉末材料をその内部に充填し、最後に熱間静水圧プレス技術を使用して 2 つの異なるタイプの材料をシームレスに接続します。この技術は、航空宇宙分野の特殊部品の製造に大きな意義を持っています。例えば、宇宙船の外殻は高温に耐えるセラミックで作られ、内殻は靭性が高い金属材料で作られています。これは、3Dプリント技術と熱間静水圧プレス技術を組み合わせて作られており、2つの材料の結合を回避し、全体的な品質と欠陥を減らすことができます。

チタン合金、ニッケル基高温合金、セラミックスなどの材料で作られた高性能な特殊形状や複雑な構造の部品は、従来の方法では加工が困難です。3Dプリントと熱間静水圧プレスを組み合わせることで、上記の問題を解決できます。

2.5 3Dプリントと機械加工の組み合わせ 現在の3Dプリント部品の表面粗さが高いという問題を解決するために、3Dプリントと従来の機械加工技術を組み合わせた複合成形技術が生まれました。図9は、日本の松浦社製のLUMEXAdvance-25金属レーザーモデリング複合加工機です。3Dプリントと機械加工を組み合わせることで、部品の表面品質が大幅に向上します。 3Dプリント後に後処理を行っても、内部空洞の複雑な構造は加工が難しく、プリントしながら機械加工することによってのみ、より低い表面粗さを実現できます。図10(a)は純粋なレーザー3Dプリントで加工された粗面部品を示し、図10(b)は複合成形技術で加工された微細表面部品を示しています。

3. 中国の3Dプリント技術の問題点 3D プリント技術の開始が遅れたため、実際の適用においては、以下の側面でまだ多くの問題が残っています。

1) 3Dプリントの設計理論と方法。
3D プリントの設計理論と方法の欠如は、主に、3D プリント材料の設計と準備、3D プリント工業部品の設計理論と方法、および 3D プリント生物臓器の設計理論と方法の体系的な理論と方法の欠如に反映されています。現在、世界には3Dプリントに使用できる金属、ポリマー、セラミックス、およびそれらの複合材料の完全な設計と調製方法がないため、3Dプリント消耗品のコストは高いままであり、性能は使用要件を完全に満たすことができません。工業部品や人間の臓器の 3D プリントに関しては、必要な数学モデルや設計理論が不足しています。

2) 3Dプリント装置。
実際のアプリケーションにおける 3D プリント装置の主な問題:
① 成形部品の精度や表面品質が悪い。
② 3Dプリントの作業モードは点から線、線から面、面から物体であるため、成形効率は比較的低いです。
③民生用の3Dプリンターは比較的安価ですが、産業用の3Dプリンター機器の価格は比較的高価です。
④ 3Dプリンターの安定性が低いため、部品の性能の再現性が低く、製造された部品の性能は、異なる時間や環境下では再現できません。
⑤ 現在、国産の各種レーザーとその光学系の性能は海外製品に比べて大きく遅れており、主要部品は依然として輸入に頼っています。

3) 3Dプリント材料。
我が国は3Dプリント技術を始めた当初から、プリント設備の研究開発を重視しており、そのため、国内の3Dプリント設備は国際的な先進レベルに近づいているか、あるいはそれに達しています。しかし、関連する印刷材料の研究には十分な注意が払われておらず、同社は現在、「料理が上手でも米がなければ料理はできない」という恥ずかしい状況に直面しています。印刷材料は、3D 印刷技術の発展を制限する主なボトルネックとなっています。印刷物の主な問題は次のとおりです。
① 種類が少なく、種類が現実世界の素材とはかけ離れている。
②価格が高いため、3Dプリント技術の普及と推進が大きく制限される。
③性能が低く、ほとんどの部品がそのまま機能部品として使用できない。

4) 3D プリントアプリケーション。
3D プリントの実用化においては、以下の点についてはまだ多くの研究が必要です。
① 3Dプリント部品の機械的特性
②3Dプリント部品の破壊靭性
③3Dプリント部品の疲労性能
④3Dプリント部品の亀裂成長速度
⑤ 3Dプリント部品の高温・長期耐久性性能
⑥3Dプリント部品の微細構造
⑦標準システム。

中国における3Dプリント技術の産業化に関する4つの提案
4.1 指導理念の改善
3D プリンティングが産業化を達成するには、多様化開発、協調開発、革新的開発の概念を遵守する必要があります。

1) 多様な発展を堅持する。さまざまなタイプの 3D 印刷プロセスを開発して技術手段の多様化を実現します。アプリケーション市場を開拓し、製品タイプを充実させ、サービス範囲の多様化を実現します。アプリケーション領域を拡大し、市場タイプの多様化を実現します。
2) 協調的な開発を遵守する。企業と大学、専門学校、研究所間の協調的発展、3D プリント産業チェーン内の企業間の協調的発展、3D プリント企業とユーザー企業間の協調的発展。
3) 革新的な開発にこだわります。技術革新を強化し、主要技術を突破します。ビジネスモデルの革新を強化し、既存の産業チェーンのすべてのリンクの規模の発展を促進します。アプリケーションサービスの革新を強化し、潜在的な市場需要を活用します。

4.2 主要な技術革新
1) 潜在的なアプリケーション市場の開拓とアプリケーションサービスの開発促進に注力します。 3Dプリント業界向けに設計、技術サポート、財務、設備、製品取引などの公共情報サービスを提供するサービスプラットフォームを構築します。アプリケーションデモンストレーションプラットフォームを構築し、航空宇宙、自動車、バイオメディカルなどの重点分野でアプリケーションデモンストレーションを実施し、重点企業を促進します。体験センターを構築し、生物用品、工業用品、3D教育体験館を設立して一般の認知度を高めます。インキュベーション拠点を構築し、市場見通しが良く、産業化の基礎が成熟している重点分野の促進に重点を置きます。対応するプラットフォームは図11に示されており、3Dプリントアプリケーションサービスのサポートを提供できます。

2) 業界の中核競争力を強化するために、主要な技術とプロセスのブレークスルーに重点を置く。図12に示すように、使用要件を満たすことができない材料の種類と性能が限られているという問題を解決するためのハイエンドの印刷材料とそれをサポートする生産設備の開発に重点を置き、3Dプリント材料の標準化と大規模生産を中心に研究が行われています。 SLA、FDM、SLS、SLM、LENS、3DP、その他の現在の主流の印刷プロセスを含む既存の 3D 印刷プロセス機器のレベルを向上させます。主な対策は、設備の生産効率と製造精度を向上させ、製造コストを削減し、主要部品（レーザー、ガルバノメーター、ノズルなど）の研究開発と産業化を実現し、外国の技術独占を打破し、既存の基礎の上で設備の競争力を向上させることです。一方では、既存のプロセスの効率と安定性が向上し、他方では、特殊な金属、ポリマー、セラミック、その他の材料向けの新しい印刷プロセスが開発されています。同時に、3Dプリントと従来の製造技術の統合を積極的に推進し、従来の製造業の変革とアップグレードを図ります。

3) プロセス全体のプロセス仕様と技術基準を確立し、産業チェーン全体のレベルを向上させる。図 13 に示すように、機器、データ処理、材料、製品サービスの全体的な産業チェーンを構築します。

4.3 政策提言

3D プリント技術に存在する問題を考慮して、次の 7 つの提案が提示されています。
1) トップレベルの設計と全体計画。科学的な計画、適切な指導、国立自然科学財団における重要な取り決め、および 3D 印刷技術に関する基礎研究の協調的な開発。わが国のさまざまな省や市の産業特性と3Dプリント基盤を組み合わせることで、さまざまな特性を持つ3Dプリント技術産業センターが形成され、相互に補完し、周辺地域の3Dプリント技術の応用とサービス産業の発展を推進します。

2) 特別プロジェクトを立ち上げ、プロジェクトを推進する。 3Dプリント技術に関するソフトウェア、プロセス、材料、設備、アプリケーション、標準、産業化に関する体系的かつ総合的な研究を実施するための特別プロジェクトを設立し、3Dプリント技術と他の先進的な製造技術を統合した新しいデジタル製造システムの構築を推進します。

3) 大きな需要に牽引されて、主要プロジェクトが相互作用します。航空宇宙、自動車、バイオメディカル、エレクトロニクス、文化創造など、国家の主要な需要分野に焦点を当て、主要プロジェクトと密接に連携して、3Dプリント産業チェーン全体の急速な形成と発展を促進します。

4) サポート体制の構築を強化する。標準規格の構築を強化し、標準化組織が業界団体、関連産業企業などと協力して、材料、部品、プロセスなどの共通の基本技術標準規格を策定することを支援する。人材育成機関と専門サービス機関の資格認証を強化し、トレーニングとサービス市場の標準化を図る。

5) 財政支援を強化し、さまざまな資金調達チャネルを拡大する。企業主導・政府支援の発展の原則を堅持し、関連産業への財政支援を強化する。金融機関が3Dプリント産業の発展を支援するよう指導し、3Dプリント産業の資金調達を支援し、社会資本が3Dプリント産業の発展に参加するよう指導します。

6) 新しい産業モデルを奨励・支援し、革新的な開発モデルを奨励し、イノベーションチェーンを形成する。

7) 3Dプリント企業に対する減税や免除などの優遇政策を推進し、企業が減税や免除を革新的な研究に投資することを奨励する。初めて設備を導入する企業に対して補助金政策を実施する。さまざまなタイプの 3D 人材を育成するために、さまざまな大学に 3D プリント関連のコースまたは専攻を設立します。

編集者: 南極熊著者: Shi Yusheng

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