【分析】3Dプリント技術が海運関連産業に与える影響

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-5-30 10:48 に最後に編集されました。

3Dプリンティングは積層造形とも呼ばれ、エコノミスト誌が「第三次産業革命」の代表的技術として称賛しているラピッドプロトタイピング技術です。現在の業界価値は約40億米ドルで、年間60％の成長率を誇っています。医療、自動車、航空宇宙産業の分野で応用・推進されており、主に完成品や一部の精密部品の製造に使用されています。2020年までに業界全体の生産額は210億米ドルに達すると予想されています。 3D プリンティングは通常、3 次元設計、3D プリンティング、表面処理という 3 つの主要プロセスで構成されます。
3 次元設計は、コンピュータ支援設計 (CAD) またはコンピュータアニメーションモデリングソフトウェアを使用してモデル化され、構築された 3 次元モデルは層ごとの断面に「分割」され、プリンターが層ごとに印刷できるようにします。設計ソフトウェアとプリンターの連携のための標準ファイル形式は、STL ファイル形式です。STL ファイルでは、三角形の面を使用してオブジェクトの表面を大まかにシミュレートします。三角形の面が小さいほど、生成される表面の解像度が高くなります。既存の製品をコピーする場合は、PLY などのスキャナーを使用してアイテムをスキャンし、フルカラー印刷の入力ファイルとして VRML または WRL 形式の 3 次元ファイルを生成できます。印刷プロセスでは、プリンターが STL ファイル内の断面情報を読み取り、これらの断面を液体、粉末、またはシート材料で層ごとに印刷し、断面の各層をさまざまな方法で結合して固体を作成します。プリンターで印刷される断面の厚さ（Z方向）と平面方向（XY方向）の解像度は、dpi（ピクセル/インチ）またはミクロンで計算されます。一般的に、Z方向の厚さは100ミクロン（0.1mm）で、高精度のプリンターでは16ミクロンの印刷も可能です。XY平面方向は、レーザープリンターと同等の解像度で印刷できます。

印刷された「インク滴」の直径は通常 50 ～ 100 ミクロンです。従来の方法では数時間から数日かかるモデルの作成も、プリンターの性能やモデルのサイズと複雑さに応じて、3D プリントを使用すると 1 時間から数時間に短縮できます。表面処理とは、物体の表面をより高解像度にすることです。まず、現在の3Dプリンターで少し大きめの物体を印刷し、その後表面を研磨して、より滑らかな表面を持つ「高解像度」の物体を得ます。現在の 3D プリンターの解像度は、ほとんどの用途に十分すぎるほどであるため (曲面は、画像のギザギザのエッジのように粗く見える場合があります)、表面処理は不要であることに注意してください。射出成形などの従来の製造技術では、ポリマー製品を低コストで大量に生産できますが、3D プリント技術では、比較的少量の製品をより速く、より柔軟かつ低コストで生産できます。デスクトップサイズの 3D プリンターは、モデルを作成するデザイナーやコンセプト開発チームのニーズを満たすことができます。従来、3D プリントはモデルや金型の作成によく使用されていましたが、3D プリンターと「インク」製造技術の成熟に伴い、一部の製品、特に高価値製品 (人体の関節や重要な機器部品など) の直接製造に 3D プリントが使用されるようになりました。

現在、3D プリント技術は海運業界で効果的に応用されています。例えば、ゼネラル・エレクトリック社が3Dプリント技術を使用して製造した燃料ノズルは、従来の技術を使用して製造された製品よりも5倍の強度があるだけでなく、25％軽量化されています。同社は2020年までに、直噴エンジン全体の30％を3Dプリント技術を使用して製造する予定です。報道によると、マースクタンカーズは海運業界における3D技術の応用展望を研究し、3Dプリント技術はまず海運業界全体が直面するスペアパーツサプライチェーンの難題を解決するのに使えることがわかった。乗組員が船上で緊急に必要な部品を直接プリントアウトできれば、納期が効果的に短縮され、スペアパーツの倉庫保管、貨物梱包、航空・陸上輸送、通関、チャーター・停泊のコストが大幅に削減される。同時に、インフラが貧弱な一部の地域でスペアパーツを提供できないという困難も解決される。第二に、3Dプリントは船舶業界の将来の持続可能な発展にも大きな利益をもたらします。なぜなら、従来の減算型製造プロセスでは、穴あけや切断のたびに原材料とお金が無駄になるからです。3D増分印刷技術を使用すると、独特な構造形状の製品や部品を柔軟に製造できるだけでなく、原材料とお金の「無駄ゼロ」を実現できます。

25,000 ドルのプラスチックプリンターと比較すると、金属 3D プリンターは現在 100 万ドルもしますが、業界での継続的なプロモーションと技術の進歩により、価格がすぐに中高級アプリケーションレベルまで下がると考えられます (ただし、従来の生産に取って代わることは期待しないでください)。では、3D 印刷技術は、輸送および関連製造業界にどのような変化と課題をもたらすのでしょうか。

まず、金属「インク」産業は大きな発展を迎え、これは将来の新材料産業の重要な発展分野でもあります。海洋機器部品は形状が多様であるだけでなく、さらに重要なのは、硬度、強度、耐摩耗性、耐圧性、高温可塑性などの物理的特性が無限に多様であることです。実用性と経済性の観点から、数千の「金属インク」を船上や集中供給ステーションに同時に供給・保管することは期待できません。将来のアイデアは、3つの原色の異なる比率を使用してさまざまな色を生成するのと似た「カクテル」技術になる可能性があります。科学者は、最も基本的な「基本特性」を満たす「インク」を見つけ、メーカーが提供する「秘密のレシピ」に従って混合し、3Dプリンターに直接注入して印刷および製造する必要があります。

第二に、重要なコンポーネントは「物理的」な供給から「デジタル仮想」な供給へと変化します。メーカーや部品サービスプロバイダーは、破損しやすく、消耗しやすい部品の供給を、現在の物理的な供給から、デジタルの仮想供給に切り替えます。つまり、部品の3次元形状データと材料の「秘密のレシピ」を含むデータパッケージを需要者に送り、直接印刷、製造、設置、使用することになります。 3Dプリント可能な部品の種類と数量は徐々に増加すると予測されますが、「インク」材料の研究開発の供給制限により、比較的単純な材料と性能要件を持つ部品が中心となるでしょう。

第三に、知的財産の保護と共有は厳しい課題に直面するでしょう。従来の汎用部品以外の特殊な装置や重要な部品は、3Dプリンティングが実現すると知的財産保護の面で厳しい課題に直面することになります。支払いに基づく新しいタイプの一時的な知的財産権許可モデルが必然的に出現します。つまり、誰でも形状と材料の秘密のレシピデータパッケージを入手できますが、支払いが行われない場合、サプライヤーは3Dプリンターに一定の「期限」のある一時的な許可指示を発行しません。プリンターは許可されないか、許可が期限切れになると印刷操作を実行できなくなります。これにより、知的財産権とサプライヤーの利益の保護が実現されます。 4番目に、製品の品質検査モデルは変化と革新を余儀なくされるでしょう。部品製品の既存の検査モデルは、検査機関が製品に対して必要な実験と現地検査を実施し、要件を満たした場合、検査機関は、その品質が使用のために定められた品質基準を満たしていることを証明する証明書を発行するというものです。 3D プリンティングの登場以降、特に海上を航行する船舶上で直接印刷や製造を行う場合、検査員は現場に出向いて検証や検査を行うことができません。

したがって、検査および管理モデルは、3D プリンターの品質の認証、印刷材料の品質、つまり「インク」の品質の認証、および製品のデジタルモデルと式の認証に分割する必要がある場合があります。第五に、部品供給とサービスモデルが新たなモデルを導入することになります。地域的およびコスト的制約により、グローバルなサービスネットワークを確立できないことは、機器メーカーにとって常に頭痛の種となっています。これは特に、開発の初期段階にある中小規模の機器メーカーに当てはまり、有名な既存メーカーと比較して明らかな競争上の不利を抱えています。3D プリント技術の出現により、この問題は徐々に解決されるという希望がもたらされます。同時に、世界中の港に分布する既存の多数の機器供給代理店は、徐々に限界化の課題に直面し、依然として既存のビジネスモデルを使用している一部の代理店は閉鎖を余儀なくされるでしょう。そのため、3Dプリント技術は「分散型製造」の最適化をさらに推進し、既存の分散型製造のパーソナライズカスタマイズレベルとサービス応答速度を向上させ、水産品サポートおよび関連産業のパターンに影響を与え、世界の海運の発展を促進します。

編集者: 南極熊著者: 周立偉

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