【分析】船舶用ディーゼルエンジン分野における3Dプリント技術の応用展望の分析

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-1 12:03 に最後に編集されました。

近年、3Dプリント技術は急速に発展し、航空宇宙、自動車部品、主要装備、文化創造、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。アメリカの積層造形技術コンサルティングサービス協会であるWohlersが2013年に発表した年次報告書によると、2013年の3Dプリント製品の世界市場規模は約40億米ドルで、2012年と比較して平均年間複合成長率はほぼ100％でした。2017年までに、3Dプリントの市場シェアは約50億～60億米ドルに達すると予想されています。しかし、造船業界での応用に関する報告はほとんどなく、新興の製造技術として、その原理と船舶用ディーゼルエンジンへの応用の見通しを理解する必要があります。

1 3Dプリント技術の基本原理
1.1 3Dプリント技術の原理 Wikipedia の 3D 印刷技術の説明によると、「粉末金属やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して、層ごとに多層印刷技術によって部品を構築する」とのことです。簡単に言えば、3D 印刷は通常の 2 次元印刷に 1 つの次元を追加することです。それでも「印刷」と呼ばれるのは、2 次元印刷の技術原理を借用しているためです。層処理の形式はインクジェット印刷のプロセスに似ていますが、印刷される材料が「インク」ではなく「実際の物体」であるという点が異なります。 3D 印刷技術の原理を図 1 に示します。まず、部品を一連の平行平面で切断して、十分に薄いスライス (通常 0.01 ～ 0.1 mm) または 2 次元部品モデルを取得し、次に特定のルールに従って積み重ねて部品全体を取得します。

1.23D 印刷技術のワークフロー 3D印刷技術の原理によれば、物理的な物体を印刷する際には、物体の3次元デジタルモデルを基礎として、三角形の面を使用して幾何学モデルをシミュレートするSTL形式のジオメトリファイルを専門的なレイヤー化ソフトウェアに出力し、ソフトウェアを使用して3次元モデルを離散化し、実際のレベル情報に基づいてプロセス計画を実行し、印刷装置が認識するためのドライバーコードを生成し、コードコマンドに応じて異なる技術的方法を備えた印刷装置を使用し、レーザービーム、ホットメルトノズルなどの方法を使用して、金属やセラミックなどの粉末材料、紙やポリプロピレンなどの固体材料、液体樹脂や細胞組織などの液体材料を層ごとに積み重ねて結合し、最後に印刷装置の技術的特性に応じて硬化、焼結、研磨などの後処理を実行する必要があります。ワークフローを図 2 に示します。

2国内開発状況 近年、3Dプリント技術が国際レベルと国内レベルで注目され、支持されるにつれて、国内の研究は引き続き盛んになっています。リソースを統合し、設備と材料の完全な産業チェーン開発を形成し、業界全体をより大きく、より強くするために、大学と地方政府が産業連盟を形成する形式が徐々に現れてきました。中国3Dプリント産業連盟、陝西3D産業イノベーションプラットフォーム、浙江3Dプリント産業連盟などはすでに設立されており、上海、南京などでも徐々に3D産業連盟の設立を計画しています。 3D 産業技術は、1990 年代初頭に清華大学の Yan Yongnian 教授によって中国に導入されました。しかし、CNC マシニングセンターとの競合により、CNC の補助としてのみ使用されることが多く、主に大学の研究や教育、トレーニングの分野にとどまっています。

国内企業は主にデスクトップレベルの製品を自主開発し、海外の工業レベルの製品の代理を務めていますが、工業化のプロセスは遅く、成形精度、成形速度、製品安定性の面で自主開発製品と海外製品の間には依然として一定のギャップがあります。同社は粉体など高付加価値の原材料を開発する技術力が不十分であり、ビジネスモデルも比較的シンプルである。近年、3Dプリント技術の進歩と海外市場の推進に伴い、西安交通大学の呂炳恒院士率いるチームと湖南華樹などの企業は、レーザー成形における変形や割れの解決やナイロン焼結材料の開発で一定の成果を上げており、特に航空宇宙分野では世界最先端の技術レベルに達している。

3 3Dプリント技術の長所と短所の分析
3.1 3Dプリント技術の利点
3D プリント技術の主な利点:
（１）設計と製造の迅速な統合。製造は設計された 3D モデルによって直接駆動されます。3D モデルの認識、レイヤー変換、コード生成、付加成形などの一連のプロセスを通じて、設計と製造の統合がある程度実現されます。このようにして、設計アイデアを実際の製品モデルに自動的、直接的、迅速かつ正確に変換できるため、設計段階にある製品の迅速な評価、変更、機能テストが可能になります。
（２）高効率生産金型開発を必要とせず無人自動生産が可能となり、製品サイクルを約4/5短縮できます。部品の形状や構造設計に制約がないため、設計者の能動的な思考を刺激し、パーソナライゼーションやカスタマイズを実現し、位相設計最適化に基づく複雑なモデルの直接製造も可能になります。
（３）豊富な素材材料に制限はありません。樹脂、プラスチック、セラミック、紙、金属、複合材料を使用できます。部品の実際の機能要件に応じて、部品ごとに異なる材料を使用することもできます。
（４）研究開発コストが低い。従来の「剥離材料製造」とは異なり、初期の生産ラインや金型投資を必要とせず、1回の印刷後に残った原材料を再利用できるため、材料とエネルギーの利用効率が向上し、原材料の廃棄と環境へのダメージが大幅に軽減されます。

3.2 3Dプリント技術の欠点 中長期的には、3Dプリント技術は比較的幅広い発展の見通しを持っていますが、現在の産業化はまだ成熟段階には程遠いです。3Dプリント技術は、以下の欠点をさらに克服する必要があります。
（1）サイズ制限が明らかで、製造コストが高く、金属材料の種類が限られているため、大型部品の印刷には時間がかかり、従来の加工方法に比べて利点がありません。既存の3Dプリンターは一般的に高価で、金属3Dプリンターの価格は一般的に400～500万元以上で、中には1,000万元を超えるものもあります。材料粉末の価格は材料自体の10倍以上高く、現在入手できる金属材料の種類が少ないため、さらなる普及と応用に困難をもたらしています。
（２）精度と効率の両立が難しく、効率的な生産ができない。現在、3Dプリント製品の精度は満足できるものではなく、滑らかさと製品要件の間にはまだ大きなギャップがあることを示しています。鋳造などの大量生産方法と比較すると、印刷効率は大規模生産のニーズを満たすにはほど遠いです。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あります。製造精度と製造効率のバランスは、まだ解決されていません。
（３）金属部品の加工強度が比較的低い。現在、3Dプリント技術の金属部品は、高温、高荷重、衝撃などの極めて過酷な作業条件の要件を満たすことができず、静圧処理などの後続の密度処理を組み合わせる必要があり、処理後に積層成形製品の靭性と強度をさらに向上させる必要があります。
（４）印刷工程は人体に危害を及ぼす恐れがあり、法規制を通じて産業環境の改善が急務である。一部の 3D プリンター機器は粉末を原料として使用するため、完成品の後処理中に一定量の粉塵が発生することは避けられず、人体の呼吸器や肺に一定の疾患リスクをもたらす可能性があります。同時に、3Dプリント製品はコピーや拡散が容易なため、製品の設計と製造のあらゆる段階で一定の侵害リスクがあり、知的財産紛争につながりやすく、緊急に立法による保護が必要になります。

3.3 3Dプリント技術の開発動向 インテリジェント製造のさらなる発展と成熟に伴い、新たな情報技術、制御技術、材料技術などが製造分野に絶えず応用され、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 プリント技術と設備は、デジタル化とネットワーク化に基づいて、パーソナライズ、精密、インテリジェンス、ユニバーサル化、利便性の方向に発展していきます。

（１）プロセスおよび装置の開発3D印刷技術の速度、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、機械的および物理的特性を改善して、直接的な製品製造を実現し、分散生産、設計と製造の統合のニーズによりよく適応し、より大きな部品を直接印刷します。
（２）材料の検証スマート材料、機能性傾斜材料、ナノ材料、相変化ゼロ膨張材料、不均質材料、複合材料など、さまざまな3Dプリント材料を開発し、印刷コストを削減しながら3Dプリント技術の応用範囲を拡大します。
（３）ソフトウェアのアップグレードソフトウェア統合により、設計、加工、製造の統合が実現し、設計ソフトウェアと生産管理ソフトウェア間のシームレスな接続が可能になり、データ処理エラーが削減され、設計者による直接ネットワーク制御による遠隔オンライン製造が実現します。
（４）応用領域の拡大バイオメディカル、建設、車両、衣料、エネルギーなどの分野での応用がさらに拡大しています。

4 船舶用ディーゼルエンジン分野における3Dプリントの応用展望 現在、3Dプリント技術は、消費財、電子機器、輸送機器、医療の3大分野で最も広く使用されています。船舶用ディーゼルエンジン分野での応用に関する報告はほとんどありません。これは、3Dプリントの技術的特徴と現状、および船舶用ディーゼルエンジン自体の特徴に関連しています。船舶用ディーゼルエンジンは伝統的な製造業に属し、部品のサイズが大きいことが多く、使用する材料に特別な要件はありません。ただし、3Dプリンターの印刷サイズには制限があり、印刷材料のコストは材料自体の価格よりもはるかに高いことがよくあります。そのため、船舶用ディーゼルエンジンの分野では、バッチで直接金属印刷を行う条件がまだ整っていません。しかし、3D プリント技術の特性と利点に基づくと、プロトタイプ開発プロセス中に開発サイクルを短縮し、さまざまな方法で設計を改善するための強力な手段として使用できます。

4.1 ラピッドプロトタイピング 3D プリント技術を使用すると、設計モデルをすばやく視覚化できます。印刷ベースのラピッドプロトタイピングでは、ソリッドモデルの設計を確認し、モデルの改善と最適化を行うことができます。組み立てのためにチェックが必要なモデルの場合、材料や強度を無視して安価な材料を使用してラピッドプロトタイピングを行い、精度を確保しながら組み立て検査を行うことができ、設計時間を節約できます。設計および組み立て検査用の試作品部品を迅速に印刷するだけでなく、テストのニーズに迅速に対応するために特殊なテスト部品も印刷できます。例えば、樹脂材料を直接使用して多重方式のダクト吹出試験片を印刷すると（図3）、木型砂型鋳造試作品の製造時間を効果的に短縮できます。最初のサンプル製造に必要な高額な金型コストが省略され、自由な設計が可能になるため、不要な材料が節約され、直接印刷および成形を行うことができ、開発コストを大幅に短縮できます。

4.2 高速鋳造 製品開発の過程において、金型の形状や加工サイクルは製品ライフサイクル全体を制限する重要な要素であり、3Dプリント技術が実際の産業と最も密接に結びつく用途でもあります。大型の海洋部品の場合、金属印刷のサイズ制限により金型を直接印刷することは困難ですが、金型を使わない急速鋳造を使用することができます。従来、船舶用ディーゼルエンジンの複雑な構造部品の鋳造プロセスは、3D CAD モデルを通じて 3D 砂中子モデルを取得し、プロセス要件を満たす 3D 砂中子鋳型モデルを確立し、砂中子鋳型を製作し、砂型鋳造によって砂中子を製作し、鋳造するというものでした。

3D プリント技術の型なし鋳造技術を使用して、鋳造要件を満たす部品の砂コアを直接製造することで、従来の鋳造プロセスを簡素化し、さまざまな型によってもたらされる許容タイプを確保し、効率を向上させてコストを削減できます。船舶用ディーゼルエンジンのエンジンブロックとシリンダーヘッドは内部構造が複雑なため、従来の設計・製造方法に頼ると、金型の鋳造と修正だけで半年近くかかります。また、エンジンブロックとシリンダーヘッドの内部には自由曲面が多く、従来の製造方法では表面の精度を確保することが困難です。金型レス鋳造技術の採用により、まず鋳造用の砂型を作り、それをエンジン本体とシリンダーヘッドに鋳造します。これにより、金型の精度が大幅に保証されるだけでなく、さらに重要なことに、時間が大幅に節約されます。従来の方法と比較して、金型不要の鋳造技術を使用すると、製品完成までの時間を 2/3 に短縮できます。図4は、金型を使わない生産の例をいくつか示しています。

同様に、吸排気管、スーパーチャージャーカバー、オイルポンプカバーなどの部品も同じ方法で迅速に鋳造できます。さらに、ワックス型を直接印刷してスーパーチャージャータービンブレードなどの部品を精密鋳造し、薄壁の熱亀裂を防ぐこともできます。

4.3 迅速な製造 近年、3Dプリント技術の材料の充実、印刷精度や印刷サイズの向上に伴い、3Dプリント技術の利点や特徴を活かして、小ロット、カスタマイズ、高デザイン付加価値製品が完成品として直接印刷されるケースが増えています。船舶用ディーゼルエンジンの分野では、金属材料の印刷サイズの制限により、現在、大型部品の印刷はできません。ただし、ターボチャージャーのタービンブレード、バルブ、バルブシートリングなど、寸法公差と精度要件が高い高温合金部品は、直接印刷できます。設計上の制約も解放され、迅速なハイブリッド製造が可能になります。つまり、加工しやすい部品には従来の製造方法を使用し、加工が難しい部品には3Dプリントを直接使用します。または、ECUプラグインボード（図5）などの非金属部品を自由に設計して印刷できます。

さらに、3D プリント技術の利点を活用して、従来の加工限界を打ち破り、中空部品や複合部品を設計することができます。また、製造プロセスによって制限される冷却水路やその他の部品を最適化して、設計に新しいアイデアをもたらすことができます。

4.4 クイックフィックス 近年、航空宇宙分野では、3DプリントにおけるDMD（Direct Metal Deposition）技術の柔軟で強靭な特性を活かし、破損しやすく高価なチタン合金ブレードなどの部品を直接補修したり（図6）、耐摩耗性材料の上に金属コーティングしたりするケースが増えています。

船舶用ディーゼルエンジンの場合、クランクシャフトのメインベアリングなどの部品は高価で摩耗しやすいです。3Dプリント技術を使用して、そのような部品の損傷部分を修復したり、耐摩耗性と疲労寿命を向上させるために、耐熱ニッケル基合金やその他の材料をコーティングとして追加したりすることができます。

3Dプリント技術は「付加製造」技術として近年ますます注目を集めており、設計と製造の一体化という技術的利点と特徴、小ロット、カスタマイズ、パーソナライズされた製造への適合性により、航空宇宙、自動車、医療製造などの分野での応用が促進されています。船舶用ディーゼルエンジンは伝統的な産業であり、独自の特徴を持っています。現在の3Dプリント技術レベルでは、船舶用ディーゼルエンジンの分野での伝統的なプロセスの地位に挑戦することはできません。しかし、3Dプリント技術は幅広い応用可能性を秘めており、小ロット製品の研究開発やテストピースの製造において、伝統的なプロセスの有益な補足として使用できます。 3D技術の進歩、材料の豊富さ、印刷コストの削減により、船舶用ディーゼルエンジンへの応用は今後ますます広がっていくと考えています。

編集者: 南極熊著者: 李佳、張継科、馮明志 (711 研究所)

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