3D プリント技術と軍事用途の活用の見通しはどうですか?

付加製造技術は、伝統的な切削加工技術の根本的な転覆であり、伝統的な金型、切削工具、固定具、および複数の加工ステップを必要とせず、単一の装置であらゆる複雑な形状の部品を迅速かつ正確に製造できるため、「自由な製造」を実現し、これまで実現が困難だった複雑な構造部品の製造上の多くの問題を解決します。そのため、武器や装備の開発と生産においてかけがえのない役割と幅広い応用展望を示しており、世界の最先端の防衛技術の研究ホットスポットと焦点となっています。米国の雑誌「タイム」は付加製造技術を「米国で最も急成長している10の産業」の一つに挙げており、英国の雑誌「エコノミスト」は、付加製造技術が他のデジタル生産モデルとともに新たな産業革命を推進すると考えています。

1. 研究の進捗 近年、積層造形技術は加熱し続けており、世界各国では製造業発展戦略の策定や技術ロードマップの策定など、さまざまな施策を通じて積層造形技術の開発・応用を推進しています。

積層造形工程検出技術において重要な進歩が遂げられ、成形効率と品質が大幅に向上しました。近年、プロセスの継続的な最適化、適用可能な材料の多様性の増加、設備の処理能力とテスト能力の継続的な向上により、製造効率、製品の精度と品質が着実に向上し、積層造形技術の応用範囲が急速に拡大しています。 2013年、DST Controlは熱溶解積層法技術を使用して、無人システムの画像化に使用され、球形地上無人車両Groundbotに搭載されているCOLIBRIマイクロ高性能光電子ジンバルブラケット用のプラスチック部品20個を製造することに成功しました。 COLIBRI ステントの当初の年間生産数は 50 個と予想されており、納品サイクルは 10 ～ 12 週間から 4 週間に短縮されます。 2016年、PromoldingはStratasys PolyJet 3Dプリントソリューションを使用して、射出成形金型の製造時間を93%短縮しました。エアバスなどの航空宇宙メーカーもこの技術を大規模に適用すると予想されています。

付加製造技術の標準と仕様はますます完成度が高まり、この技術の成熟した応用の始まりを示しています。現在、積層造形技術の標準および仕様の策定がますます注目されており、この技術の健全で持続可能な発展を促進することになります。 2012 年、米国材料試験協会 (ASTM) 国際委員会は、Ti-6Al-4V の積層造形に関する F2924-12 規格を開発しました。 2013 年 9 月、米国国立標準技術研究所 (NIST) は、付加製造における測定と標準が直面している主要な問題に対処するために 740 万ドルの資金援助プロジェクトを発表しました。 2015 年 7 月、EU の「積層造形標準化支援活動 (SASAM)」プロジェクトは積層造形標準化ロードマップを発表し、積層造形技術の開発と応用における標準化の重要性を明確に説明しました。

付加製造技術とバイオ製造技術は深く融合し、その相乗効果が現れ始めています。生物学的 3D プリンティングでは、生体組織や生体代替臓器を直接印刷することができます。 2010年6月、アメリカの企業オルガノボは、患者が必要とする生きた人間の臓器を「オンデマンドで印刷」できる機械の開発に成功しました。これは、将来の戦場でのタイムリーな救助に大きな潜在的意義を持っています。 2013年2月20日、米国コーネル大学の研究者らは牛の耳の細胞を使って人工耳を3Dプリントした。 2016年、米国海軍研究所（NRL）化学部門の責任者であるリンガイゼン氏が発明した生物学的レーザープリンター（BioLP）が特許を取得しました。米国海軍研究所は、この技術を外傷性脳損傷、火傷、難聴など、戦場でよく見られる負傷の治療に利用したいと考えています。

2. 開発動向 付加製造技術は、生産モデルと高度な製造技術の発展のトレンドを表しています。製品の生産は、社会の多様なニーズを満たすために、大量生産からカスタマイズ製造へと徐々に発展していきます。その間接的な影響と将来の見通しを予測することは困難です。積層造形の利点は、製造サイクルが短いこと、単一部品の個別ニーズに適していること、大型の薄肉部品の製造、チタン合金など加工が難しく熱間成形しやすい部品の製造、複雑な構造の部品の製造などです。従来の製造技術と比較して、積層造形技術は依然として多くの新たな課題に直面しています。依然としてコストが高く（10元/g～100元/g）、製造効率が低いです。例えば、金属材料の成形速度は100g/h～3000g/hで、製造精度はまだ十分ではありません。プロセスと設備の研究開発はまだ不十分で、大規模な産業応用には至っていません。現在、積層造形技術は伝統的な大量生産技術の補足に過ぎませんが、将来的には従来の技術と最適化・統合され、新たな発展の成長ポイントを形成することになります。

機能部品の製造に向けて開発します。金属直接成形技術は、レーザーや電子ビームで金属粉末を直接溶かし、層ごとに金属を堆積させて成形する技術です。この技術により、複雑な構造の金属機能部品を直接製造することができ、部品の機械的特性は鍛造品の性能指標に達することができます。技術が成熟するにつれて、積層造形の使用コストは低下し続け、その応用の焦点は初期設計および試作ツールの応用から機能部品および製品の製造へと移行し、精度と性能がさらに向上するとともに、セラミック部品の積層造形技術および複合材料の積層造形技術へと発展しています。

インテリジェント機器に向けて開発します。現時点では、積層造形装置のソフトウェア機能や後処理の面で最適化すべき課題がまだ多く残っています。例えば、成形工程ではサポートが必要であり、ソフトウェアのインテリジェント化と自動化をさらに向上させる必要があります。製造工程では、プロセスパラメータと材料のマッチングをインテリジェント化する必要があります。処理後に粉末やサポートを除去する必要があります。これらの問題は、設備の使用と推進に直接影響します。

組織と体制の一体化を目指して開発します。積層造形の次のステップは、微細構造からマクロ構造まで制御可能な製造を実現することです。例えば、複合材料を製造する場合、外部構造の設計・製造と同時に組織設計・製造を完了し、ミクロからマクロスケールまで同期製造を実現し、構造の「設計・材料・製造」の一体化を実現します。生物組織、複合材料、その他複雑な構造部品の製造をサポートし、製造技術に革命的な発展をもたらします。

3. 重大な影響 付加製造技術は装備の製造プロセスを大幅に改善し、装備の戦術適応性を高めることができます。装備開発に大きな変化をもたらすだけでなく、国防産業の基盤に根本的な影響を与え、戦争の形態やスタイルに破壊的な影響を与える可能性もあります。

付加製造により、複雑な機器をより軽量、より強固、より低コスト、より機敏にするという質的な飛躍が実現します。現在、3Dプリントされたチタン合金部品を使用したF-35のテストが行われています。将来的に3,000機以上の戦闘機が積層造形技術を使って部品を生産すれば、「納品が難しい」F-35戦闘機の配備速度が大幅に向上するだけでなく、数十億ドルのコスト削減にもつながると推計されている。例えば、もともと材料費の1～2倍に相当していた加工費は、今ではわずか10％にまで減っている。

付加製造により貴重な資源の消費を大幅に削減し、希少な国防資源の効率的な利用を実現できます。付加製造によって生産される原材料の 90% 以上はリサイクルおよび再利用が可能であり、これは防衛産業の希少な資源にとって大きな戦略的意義を持ちます。例えば、航空宇宙分野では、部品の高性能化を実現するために、チタン合金やニッケル基合金などの高価な戦略材料が大量に必要となります。 F-22戦闘機のチタン合金フレームの材料利用率はわずか4.8％ですが、積層造形技術を使用すれば、高価なチタン合金原材料の2/3以上を節約できます。

付加製造は、新たな機器設計コンセプトを刺激し、より優れたバリューチェーンシステムを生み出します。付加製造は高度な製造技術であるだけでなく、既存の設計コンセプト、生産方法、R&D モデルにも影響を与え、製造と設計を「精密 R&D」モデルに統合します。これは製造業そのものに影響を与えるだけでなく、設備の研究開発システム全体にも変化をもたらすでしょう。情報技術によって形成された「情報物理システム」の助けを借りて、付加製造の開放性と普及は、将来の革新のための幅広い舞台を作り出すでしょう。

著者：王浩研究分野：船舶インテリジェント製造技術、国防基礎前向き破壊的技術研究など

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