【詳細解説】3Dプリントリマニュファクチャリングの現状の問題点と対策

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-7-7 15:17 に最後に編集されました。

3Dプリントは、従来の製造方法と比較して、材料とエネルギーを節約できる、成形プロセスが部品の複雑さによって制限されないなどの利点があり、国内外で広く注目を集めています。現在、3D プリント技術は工業やバイオメディカルなどの業界で広く利用されています。 3D プリント技術を使用すると、何もないところから新しい製品を素早く作成できるだけでなく、古い製品を素早く修理し、その性能を向上させ、耐用年数を延ばすこともできるため、非常に重要な経済的意義があります。

現在、国内外で、再製造分野における 3D プリント技術の応用が非常に重視されています。米国は3Dプリント技術を活用して航空機エンジンブレードやガスタービンエンジン部品などの再生を実現しており、米国防総省のフェニックス計画を支援するため、宇宙軌道上の修理にも3Dプリント技術を適用する計画だ。我が国は金属部品の3Dプリントや破損部品の再生についても徹底的な研究を行い、一連の成果を上げています。しかし、再製造分野における 3D プリント技術の応用はまだ初期段階にあります。次に、3Dプリント再製造技術の現状の問題点とその対策について議論します。

1 3Dプリントによる再製造とそのプロセス
3D プリントによる再製造とは、3D プリント技術を使用して廃棄部品を再製造および修理し、性能を向上させて耐用年数を延ばすことです。この技術プロセスを図 1 に示します。損傷部品のスキャンとリバースエンジニアリング損傷部品のデジタルモデルモデルの再構築損傷部品のCADモデルと標準モデルの比較再製造および修理モデル階層パスプランニング再製造および修理

部品 CAD 標準モデルに基づく 3D プリント直接製造では、部品モデルを標準モデルライブラリから直接取得するか、3D モデリングソフトウェアを使用して迅速に設計し、モデルをレイヤー化してスライスした後、部品を印刷して製造することができます。図 1 からわかるように、再製造修理モデルの取得は複雑なプロセスです。まず、リバースエンジニアリングによってスクラップ損傷部品のデジタルモデルを取得し、次にデジタルモデルを処理し、最後に標準モデルと比較して再製造修理モデルを生成します。

実際、設備部品の損傷にはさまざまな要因があり、部品の損傷面は凹凸になっていることが多いため、損傷部品の現場修復を実現するには、損傷面の前処理も必要です。さらに、損傷部品の再生・修理工程で使用される再生・修理材料は部品の母材材料と異なるため、再生・修理部品に異質界面の問題が生じます。したがって、3D プリントによる老朽化や破損した設備部品の再生と修理は、3D プリントによる設備部品の直接製造とは異なり、より広い技術分野とより複雑なプロセスを伴います。

2. 3Dプリントによる再製造の現状
3D プリンティングは機器部品の再製造にうまく適用され、良好な結果を達成しています。しかし、再製造プロセスの複雑さと、3D プリント技術自体がまだ十分に成熟していないことから、3D プリント再製造はまだ初期の研究段階にあり、解決すべき問題がまだ多く残っています。

（１）再製造モデルの取得プロセスは複雑かつ非効率的である。再生モデルを取得するプロセスでは、損傷部分のデジタルモデルの取得とモデルの再構築はリバースエンジニアリングの問題であり、損傷部分の CAD モデルの構築はフォワード設計の問題であり、データ処理やファイル形式の変換など多くの問題が伴います。再製造モデルを取得するための実際の手順は、3D スキャナーを使用して損傷した部品をスキャンし、部品のデジタルモデル (ポイントクラウドデータモデル) を取得する、ポイントクラウドデータを Imageware や Polyworks などのリバースエンジニアリングソフトウェアにインポートして処理し、サーフェスモデルを構築する、サーフェスモデルをフォワードデザインソフトウェアにインポートして固め、インポートした標準部品 CAD モデルと比較して、最終的に再製造修理モデルを生成する、というものです。

このことから、通常、再製造モデルの取得には、3 者ソフトウェアの連携が必要であることがわかります。同時に、点群データの処理とサーフェスモデルの構築操作は現在手作業で行われており、サーフェスモデルの構築品質は完全に経験によって決まります。システムソフトウェアの統合と自動化のレベルが低いと、製造修理モデルの取得効率が低下し、損傷した機器部品の 3D プリントによる再製造と修理の応答速度が大幅に低下します。

（２）装置の携帯性が悪い。 2 つの側面があります。1つ目は、損傷した部品のデジタルモデルを取得するために使用されるリバーススキャン装置には、構造が複雑で、電源が必要であり、携帯性が悪いという問題が依然としてあります。
第二に、レーザー設備システムの複雑性と構造のかさばりにより、現在主流のレーザーベースの3Dプリント製造技術は、システムが複雑で携帯性が悪いなどの問題があり、迅速な逆モデリングや損傷部品の迅速な再製造・修理を実現することができません。

（３）技術は比較的単純である。現在主流の 3D 印刷技術はすべて、レーザーを熱源として使用する印刷技術に基づいています。レーザーはエネルギーが集中し、造形材料の幅が広いなどの利点がある一方で、システムが高価で複雑であるなどの欠点もあり、3Dプリントの直接製造や再製造にかかるコストが高く、普及が難しいとされています。

（４）３Dプリントの精度は比較的低い。現在の3Dプリントには、精度が低いという欠点がまだあります。直接製造された部品であれ、修理部品を再製造したものであれ、使用する前に後処理が必要です。

（５）材料の問題：現在、3Dプリントによる金属部品の直接製造に用いられる材料の種類は比較的少なく、再製造・修理できる機器部品の種類も限られています。

3 対策
3Dプリント再生技術の現在の問題に鑑み、戦場で損傷した装備部品を迅速かつ正確に再生するという要件の実現を加速するために、今後、3Dプリント技術は以下の側面で研究と応用の探究を強化する必要があります。

（１）戦場での損傷した装備品の修理ニーズの特性を考慮し、高度な統合性と自動化を備えた専用の再製造統合ソフトウェアシステムを開発する。たとえば、点群データやサーフェスモデルを高速かつ自動的に処理するモジュールや、不良部品の CAD モデルを標準部品モデルと自動的に照合して再製造モデルを取得するモジュールを開発します。現在、Delcam Integrated Systems Ltd.とGeomagic Software Companyはそれぞれ、フォワードおよびリバースハイブリッド設計ソフトウェアPowerShape PROとGeomagic Sparkをリリースしており、これにより再製造モデル取得ソフトウェアシステムの統合が大幅に向上しました。さらに、点群データから表面モデルを構築するという煩雑なプロセスを考慮して、大連海事大学は、点群データと部品の標準CADモデルを比較して再製造修理モデルを生成する理論研究を開始しました。点群データモデルを標準モデルと直接比較して再製造モデルを取得すると、再製造モデルの取得プロセスが大幅に短縮され、システムの自動化レベルが向上し、損傷した部品の 3D プリント再製造修理応答速度が向上します。

（２）デスクトップ３Ｄプリントシステムを開発し、３Ｄプリントによる再製造コストを削減し、装備の携帯性を向上させて、戦場での迅速かつ正確な支援の要件を満たす。現在、米陸軍宇宙ミサイル防衛司令部と陸軍戦略司令部未来戦争センター革新局は、戦場要員向けに軽量で低コストの3Dプリンターを開発しており、この機械は戦闘要員のバックパックに入れて戦場で使用することができます。中国の深セン華朗社は第4世代の3次元スキャンシステムを開発した。システムスキャナーの重量は 1 kg 未満です。スキャンするときに必要なのは、ラップトップ、スキャナー、スキャナーに電力を供給するポータブル充電器だけです。従来の電源は不要で、現場作業に最適です。

（３）レーザー以外の３Dプリント技術の徹底的な研究開発を行う。レーザーベースの 3D 印刷技術には、システムが高価で携帯性が悪いなどの欠点があります。アーククラッディングやプラズマクラッディングに基づく 3D 印刷技術など、他のタイプの 3D 印刷技術も広く開発されるべきです。現在、国防科学技術装備再生技術重点実験室は、溶接ベースの3Dプリント技術を装甲装備部品の再生・修理に応用することに成功している。しかし、レーザー 3D プリント技術と比較すると、溶接ベースの 3D プリント技術には精度が低い、成形安定性が悪いなどの欠点があり、さらに徹底した研究が必要です。同時に、高精度でポータブルな機器を備えた他のタイプの 3D 印刷技術の探求と研究も強化する必要があります。

（4）3Dプリント材料の広範な研究開発を実施する。米国は常に3Dプリントのサポート材料の開発を重視してきました。 3Dプリント技術の徹底的な発展と印刷材料の需要の継続的な拡大に伴い、中国における3Dプリント材料の研究開発と応用もますます注目を集めています。報道によると、2012年10月に開催された積層造形産業ハイエンドフォーラムおよびレーザー焼結設備発表会において、Farsoon High-Techは、高性能レーザー焼結粉末材料を開発するため、米国の世界的に有名なレーザー焼結粉末材料販売業者である3D Linkとレーザー焼結材料応用開発プロジェクトに関する協力協定を締結した。 Falcon Rapid Manufacturing Technology Co., Ltd.やHaiyuan 3D Printing Manufacturing Laboratoryなどの最近設立された企業も、3Dプリント材料の開発を明確な目標として挙げています。

（５）インターネットプラットフォームを最大限に活用し、遠隔３Ｄプリントリマニュファクチャリングを積極的に推進する。海外メディアの報道によると、米陸軍研究所とパデュー大学は最近、さまざまな場所に配備された兵士が遠隔で装備（航空機や自動車など）の部品を修理し、軍事装備の効率を高め、メンテナンスコストを大幅に削減できる新しい3Dプリント技術を開発したという。現在、中国では専門的なオンライン 3D プリントサービスプラットフォームが登場していますが、リモート 3D プリントによる再製造に関する報告はありません。

つまり、3Dプリント技術を損傷した装備部品の再生と修理に適用することで、コストを大幅に節約し、軍事装備のスペアパーツの在庫を減らし、国防費を節約することができます。損傷した装備部品の迅速かつ正確な対応速度を大幅に向上させ、戦闘効果の再生を促進し、軍隊の戦闘準備を向上させることは大きな意義があります。 3Dプリント技術の発展と成熟に伴い、国防科学技術における3Dプリント技術の応用展望はより広がり、より高い軍事的、経済的利益をもたらすと信じています。

編集者: Antarctic Bear 著者: Liu Jian、Yin Fengliang、Meng Fanjun、Gu Haiqing (装甲部隊工学アカデミー再生技術重点研究室)

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