南極のクマの徹底分析 - 3D プリント技術が武器や装備の開発に与える影響

3Dプリント技術は、従来の製造業と比較して、小ロット製造のコストが低く、スピードが速い、複雑な製造能力が優れている、材料利用率が高い、適応性に優れているなどの利点があります。武器や装備の開発に適用すると、武器や装備の開発時間が大幅に短縮され、開発コストが削減され、武器や装備の性能が向上し、武器や装備のコストが削減され、メンテナンスとサポートの適時性と精度が向上します。世界各国の幅広い注目と積極的な推進により、3Dプリント技術の開発と応用は近年継続的に進歩しており、軍事用途に明るい見通しを示し、武器や装備の開発に大きな影響を与えるでしょう。

1. 3D プリント技術は飛躍的な進歩を続けており、軍事用途でも重要な進歩が遂げられています。<br /> 近年、3Dプリント技術はますます注目を集め、主要な技術研究は継続的に進歩し、性能は継続的に向上し、軍事分野での応用は重要な進歩を遂げ、開発と応用の急速な発展段階に入りました。
1.3Dプリント技術はますます注目を集めており、すべての国にとって戦略的な優先事項となっています。ラピッドプロトタイピング技術や材料技術などの主要技術の発展に伴い、3Dプリント技術の応用展望はますます顕著になり、多くの国の開発の焦点となっています。米国は3Dプリント技術を国家の重点開発技術に位置付けており、その開発と開発機会の獲得に国家資源を投入している。米国は2012年に、製造業構造改革計画における11の重点開発技術の一つとして3Dプリント技術を挙げ、「国家製造業イノベーションネットワーク」の第一研究センターの主な研究方向とした。「全米製造業イノベーションネットワーク」は、米国の「全米製造業イノベーションネットワーク」プログラムの成果であり、15の製造業イノベーション研究所で構成され、主に米国製造業の発展に重要な役割を果たす革新的技術を研究しています。我が国も3Dプリント技術を非常に重視しており、その急速な発展を促進するためにさまざまな措置を講じてきました。中国総装備部、国家国防科学技術工業局、国家自然科学基金などの部門は、長年にわたりチタン合金構造部品のレーザー急速成形に重要な資金を提供し、目覚ましい成果を上げてきました。科学技術省は3Dプリント技術の開発戦略を策定しており、これにより3Dプリント技術の急速な発展がさらに促進されることは間違いないだろう。

2. 3Dプリント技術は進歩を続けており、技術の成熟度と性能は向上し続けています。近年、3Dプリント技術の研究は着実に進歩し、一連の重要な進歩を遂げ、技術の成熟度と性能が継続的に向上しています。米国は3Dプリンティング技術の研究において重要な進歩を遂げ、技術の成熟度と性能が大幅に向上し、まず産業応用レベルに到達しました。 2012年、米国のシアキー社の新しい電子ビーム3Dプリント技術は重要な進歩を遂げ、大型金属部品の加工能力を備えました。米国防総省とロッキード・マーティンは、この技術を使用して、F-35戦闘機用のチタン、タンタル、クロム・ニッケル・インコネル合金などの高価値材料で作られた高品質の部品を生産する準備をしており、すべての予備テストは要件を満たしています。 3D Systems 社のレーザー溶融技術は重要な進歩を遂げました。米国空軍はこれを基に、F-35 戦闘機やその他の兵器システムを印刷するための 3D プリンターを開発する予定です。

American Space Manufacturingの宇宙3Dプリント技術の成熟度はレベル6に達し、宇宙で模型や試作品を実証する能力を備えています。2012年11月、NASAの第2期契約を獲得し、技術成熟度をさらにレベル8に向上させ、実際のシステムを完成させ、テストと検証に合格しました。最終的には宇宙ステーションのメンテナンス、アップグレードと寿命延長、ペイロードのアップグレードと改善、ハードウェアの宇宙製造に応用できる能力を備えています。2014年には、国際宇宙ステーションに最初の3Dプリンターを納入しました。我が国のレーザーラピッドプロトタイピング3Dプリント技術は世界をリードするレベルに達しています。北京航空航天大学は、レーザーラピッドプロトタイピング技術を用いて12平方メートルを超える複雑なチタン合金部品を製造する技術を習得し、武器や装備の開発に応用することに成功しました。関連する成果「航空機チタン合金の大型複雑一体部品のレーザー成形技術」は、2012年に国家技術発明賞の一等賞を受賞しました。ノースウェスタン工科大学は、一度に5メートルを超える長さのチタン製航空機部品を印刷できる3Dプリント技術を習得しました[9]。

3. 3Dプリント技術の応用は拡大と深化を続け、技術の恩恵は発揮され続けている。近年、技術の成熟度と性能の向上に伴い、3D プリント技術の応用分野は拡大を続けており、武器や装備の設計、製造、保守においてますます重要な役割を果たしています。設計面では、NASA は新世代の大型打ち上げロケットのコアコンポーネントを設計する際に、大型の Makerbot 3D プリンターを使用して金型成形を行い、設計部品を製造しました。この 3D プリンターは、選択的レーザー溶融技術を使用して、レーザーで金属粉末を加熱して成形します。CNC 工作機械による製造と比較して、製造時間を短縮し、製造精度を向上させ、製造コストを削減し、一度に複数の目標を達成できます。製造面では、大型で複雑な部品の製造における 3D プリント技術の応用が進歩し続けています。

2002年、米国は戦闘機でレーザー成形されたチタン合金部品のテストを開始しました。しかし、チタン合金の製造工程における変形や破損などの技術的困難さを解決できなかったため、米国では小型のチタン合金部品の製造やチタン合金部品の表面の修復しかできていない[8]。近年、米国では3Dプリント技術を活用した大型チタン合金部品の製造に関する研究が活発に行われている。米国の軍と軍産企業は、3D SystemsやSciakyなどの3Dプリント技術企業と協力して、戦闘機製造における大型チタン合金3Dプリント技術の応用を推進している。

2013年、米国は3Dプリント技術を使ってジェットエンジンの燃料ノズルの大量生産を開始しました。 3Dプリント技術の軽量素材製造への応用に関しては、2013年にアメリカのSolid Concepts社が、50発の弾丸を連続発射しても無傷のままである世界初の3Dプリント金属銃の製造に成功しました。メンテナンスの面では、米国は3Dプリント技術をベースにしたメンテナンス・サポート機器の導入を開始している。 2012 年 7 月と 2013 年 1 月、米軍は機器の保守とサポートのために 2 つの移動式遠征研究所を配備しました。この移動式探検実験室は、長さ 20 フィートの標準的なコンテナで、トラックやヘリコプターで任意の場所に輸送でき、3D プリンターとコンピューター数値制御装置を使用して、アルミニウム、プラスチック、スチールなどの原材料を必要な部品に加工します。

この動きにより、戦場で必要な部品を迅速に生成できるほか、緊急に必要な装備品を迅速に設計・生産し、タイムリーかつ正確な支援を実現できます。さらに、アメリカ陸軍は、戦場で交換部品を迅速かつ安価に製造するために、バックパックに入れて持ち運べる軽量で安価な3Dプリンターを開発しました。我が国は、3Dプリント技術の武器や装備への応用において一定の成果を上げており、現在、チタン合金製の大型主要荷重支持部品のレーザーラピッドプロトタイピング製造技術を習得し、それをエンジニアリングに応用している世界で唯一の国です。北京航空航天大学と西北大学の3Dプリント技術は、国内の複数の航空プロジェクトのプロトタイプ製造に成功裏に応用されています。我が国が自主開発したC919大型旅客機の主風防窓枠と大型中央翼根元リブ、および設計中の新型戦闘機のチタン合金主構造は、すべてレーザー高速成形技術を使用して製造されており、航空機の構造重量を効果的に軽減し、戦闘機の推力対重量比を向上させ、設計時間を短縮し、新型戦闘機の急速な発展に重要な役割を果たしています。

全体的に、3Dプリント技術の発展は重要な進歩を遂げており、一部の分野ではすでに比較的高い技術レベルに達し、初期の応用成果を達成しており、良好な発展の見通しを示しています。しかし、3Dプリント技術はまだ技術開発の段階にあり、印刷可能な原材料が限られている、印刷精度が低い、速度が遅い、印刷コストが高いなどの問題が残っており、武器や装備へのさらなる応用が制限されています。材料技術、高精度制御技術、効率的な製造技術などの主要技術の発展と進歩により、3Dプリント技術は兵器や装備の開発においてより大きな役割を果たすことになるでしょう。

2. 軍事分野における3Dプリント技術の応用は、兵器や装備の開発に大きな影響を与えるだろう。 3Dプリント技術は、技術的およびコスト上の制限により、大規模な組立ライン生産に代わるのは難しいが、金型を必要とせず、設計から部品への直接変換を実現し、迅速かつ自由な製造を完了することができる。武器や装備の設計、複雑で高価な部品の製造、保守・サポートに広く使用され、武器や装備の発展にプラスの影響を与えるだろう。

1. 小ロット生産はコストが低く、スピードが速いため、兵器装備開発のリスクを大幅に軽減し、開発時間を短縮できます。武器や装備はますます複雑になっています。開発の過程では、設計、試作品の製作、テスト、設計の修正、試作品の複製、再テスト、試作品の繰り返しテストという複数回のサイクルを経ることによってのみ、問題が適時に発見され、修正されます。しかし、試作品の生産量は極めて少なく、従来の製造方法では製造に長い時間とコストがかかるため、武器や装備の開発サイクルが長く、コストも高くなるという問題がありました。開発過程で実験や製造が繰り返されたため、米国のF-35戦闘機の開発期間は何度も延長され、開発コストも大幅に増加した。

3Dプリント技術は、従来の製造方法のインゴット鋳造、胚製造、鋳型、型鍛造などのプロセスを必要とせず、迅速かつ低コストで試作品を製造できます。生産プロセス全体がデジタル化されており、いつでも変更して製造できます。短期間で大量の検証テストを実施できるため、開発リスクが大幅に軽減され、開発期間が短縮され、開発コストが削減されます。 NASA は、火星探査車キュリオシティや次世代の大型打ち上げロケットの設計において、部品を迅速に製造するために 3D プリント技術を活用しました。我が国の新型戦闘機の着陸装置の主要部品もレーザーラピッドプロトタイピング技術を使用して製造されており、開発サイクルが大幅に短縮されています。

2. 優れた複合製造能力、従来の方法では困難な製造を完成でき、武器や装備の性能を向上させることができる
3Dプリント技術は、モデルの事前製作が不要で、真に自由なものづくりが可能であり、ほぼあらゆる形状の部品を成形することができ、複雑な内部構造を持つ部品に特に有効です。複雑なチタン合金構造部品、複雑な内部冷却チャネルを備えた航空機エンジンのタービンブレード、複雑な内部材料と構造を備えた戦車の装甲、その他の重要な武器部品の製造など。 3D プリント技術は、部品の主要性能を大幅に向上させることもできます。

レーザー焼結技術を使用して製造された部品は、特に耐熱性、耐久性、耐疲労性において、鍛造品を上回るか同等の特性を備えています。例えば、選択的レーザー焼結技術を使用して製造された航空機着陸装置に使用される超高強度鋼は、鍛造品よりも20％高い疲労強度を持ち、製造されたタービンブレードの900度疲労強度は第2世代単結晶よりも40％高くなります。さらに、3D プリント技術は、局所的なコンポーネントを制御し、局所的な材料特性 (屈折率、導電性、磁性、硬度など) を制御できる機能性傾斜材料を生成するためにも使用でき、材料がいくつかの特殊な特性を発揮できるようになります。 DARPA は、光学的な透明マントを作成するために使用できる勾配屈折率レンズ (石英) を 3D プリンターで印刷する研究に資金を提供しています。

3. 材料利用率が高く、先進兵器の生産コストを効果的に削減できる<br /> 従来の製造方法は「減算型製造」であり、余分な原材料を取り除き、原材料ブランクに対して切断、押し出しなどの操作を行って必要な部品の形状に加工します。加工中に取り除かれた原材料はリサイクルが難しく、原材料の重大な無駄につながります。例えば、米国のF-22戦闘機における最大のチタン合金一体型補強フレーム部品の重量は144kg未満であるのに対し、ブランク金型鍛造品の重量は2,796kgで、チタン合金材料の利用率は5.2%未満です。高価な資材の大量廃棄は武器や装備のコストを直接的に押し上げ、ますます手が出ないものにしている。米国のF-22戦闘機の価格は2億ドル以上で、米国のような経済大国にとっても大量に購入するのは困難だ。 3Dプリントは必要な部分にのみ原材料を追加するため、材料利用率が極めて高く、高価な原材料を有効活用し、武器や装備のコストを大幅に削減できます。レーザー成形技術を使用すれば、C919航空機の中央翼根元リブブランクの重量はわずか136kgとなり、従来の製造方法で製造される1,607kgの鍛造ブランクに比べて高価なチタン合金材料を91.5%節約できます。

4. さまざまな部品を迅速に製造する能力により、武器装備のメンテナンスとサポートの適時性と精度が効果的に向上します。現在、設備の保守・サポートでは、主に冗長バックアップ、つまり事前に大量のスペアパーツを用意しておき、設備が損傷したときに交換する方法を採用しています。機器の損傷を予測することは難しいため、このアプローチでは保護不足と保護過剰の両方が発生しやすくなります。支援が不足すると、予備部品の不足により武器や装備のタイムリーな修理に影響が出ます。支援が過剰になると、予備部品の過剰により支援圧力が高まります。 3Dプリント技術は、さまざまな部品やコンポーネントを迅速に製造する能力を備えています。電子設計図と印刷材料があれば、必要に応じてさまざまな部品を迅速に印刷できます。メンテナンスやサポートに使用すると、戦場で損傷した部品を素早くプリントアウトし、損傷した装備をタイムリーかつ正確に修理・サポートできるため、戦闘能力を迅速に回復できます。米国は、3Dプリント技術が装備のメンテナンスとサポートの改善に大きな潜在的役割を果たすことを認識し、装備のメンテナンスとサポートへの3Dプリント技術の応用を積極的に模索してきました。2012年と2013年には、3Dプリント技術に基づく2つの移動式遠征実験室[11][12]を配備し、3Dプリント技術に基づく装備のメンテナンスとサポートを検証しました。

3Dプリント技術の開発と応用を加速することは、我が国の現在の兵器装備の設計、製造、保守サポート能力の欠点を補い、研究開発の効率を高め、製造コストを削減し、保守サポートの適時性と正確性を向上させる効果的な方法です。我が国の3Dプリント技術は、チタン合金の大型で複雑な一体部品のレーザー成形などの分野で世界をリードしていますが、全体的なレベルではまだ改善の余地が大きくあります。我々は武器や装備の長期的な発展に焦点を当て、全体的な計画を立て、各方面から力を結集して3Dプリント技術の開発と応用を推進し、「戦って勝てる」という目標を達成するための技術支援を提供する必要がある。

まず、3Dプリント技術は、我が国の製造業のアップグレード、軍民技術の統合、資源の統合、そして国全体の力で発展するための鍵とみなされています。
第二に、現在の問題に対応して、材料技術の3Dプリントの中核キーテクノロジーの研究を強化し、我が国の中核キー設備が人間によって制御されている状況を変革します。
3つ目は、3Dプリント技術の武器や装備の構築への応用を積極的に模索し、その応用を通じて技術開発の方向と重点を推進することです。

編集者：Antarctic Bear 著者：Deng Qiwen、Guo Jizhou、Wu Ji（国立国防科学技術大学国防兵器装備開発戦略研究センター）、Chen Qiang（装甲部隊工学アカデミー機械工学部）
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