インベントリ: 造船における 3D プリント技術の応用

3Dプリント技術は一般的にハイテク分野で活用されていますが、造船業のような過酷な分野ではどのような応用が期待できるのでしょうか。

米国材料試験協会の定義に由来する付加製造とは、3次元CADデータに基づいて材料を結合して物体を作るプロセスです。これは層ごとの処理プロセスです。3Dプリンティングは、プリントヘッド、ノズル、またはその他の印刷技術を使用して材料を堆積させて物体を作る技術を指します。3Dプリンティングは、付加製造技術を指す場合にもよく使用されます。積層造形技術は、従来の切削加工方法とは異なり、3次元設計データを使用して単一の装置で迅速に部品を形成する加工方法であり、複雑な構造の部品を形成する際の多くの問題を解決し、加工サイクルを効果的に短縮します。これまで、付加製造技術は食品、芸術、ファッション、航空宇宙、自動車、医療、建設、教育などの業界で成功裏に応用され、タイム誌では「米国で最も急成長している10の産業」の一つに挙げられ、英国の「エコノミスト」誌は「第三の産業革命」と称賛した。これは、積層造形技術の利点と発展の見通しを示しています。

イギリスの軍艦が3Dプリントドローンをテスト

3Dプリントされたチタン合金部品

1. 積層造形技術の開発
1986年にアメリカの科学者が開発した最初の商用3Dプリンターから数えると、積層造形技術は2016年までに30年が経過しました。この間、市場に出回った最初の高解像度カラー3Dプリンターは2005年に登場しました。2014年までに、3Dプリントされた建物が世界中で使用され、3Dプリントされた自動車が米国を横断し、3Dプリントされたロケットエンジンがテストに合格しました...積層造形技術（3Dプリント）の発展速度は驚異的です。

政策面では、多くの国が積層造形技術を国家戦略技術開発の重要な方向として挙げています。例えば、米国は早くも2012年に積層造形技術を国家製造業のトップ戦略課題に挙げました。2015年8月、李克強首相は国務院シンポジウムを開催し、3Dプリント技術の発展と中国製造業の活性化の関係を具体的に議論し、積層造形技術の発展をかつてないレベルに押し上げました。

科学者たちは、多くの科学研究機関の努力と関連政策の支援により、付加製造技術には幅広い発展の余地があると考えています。

2. 造船業界における積層造形技術の応用状況
付加製造は新興の科学技術です。近年、多くの分野で画期的な進歩を遂げていますが、さまざまな業界ではまだ広く商業的に推進されておらず、一般の人々の家庭に入るまでにはまだまだ長い道のりがあります。造船分野も例外ではありません。最近、一部の学者は、付加製造技術が短期的には造船業界で広く使用される可能性は低いと書いています。それにもかかわらず、付加製造の技術的利点と経済効率は、国内外の多くの企業や科学者を魅了し、この技術を造船分野に適用しようとしており、初期の成果も達成しています。

（１）船舶用スペアパーツ供給分野船舶、特に外洋を航行または戦闘する外洋タンカーや軍艦にとって、機器の故障の修理は非常によくあることです。緊急事態に備えてスペアパーツを用意しておくために、船舶は必要な部品をすべて事前に積載するか、修理のために陸に上がる方法を見つけなければなりません。どちらの選択肢も、修理コストとリスクが高くなります。船舶スペアパーツのサプライチェーンに 3D プリント技術を適用することは、良い解決策です。

民間船舶に関しては、マールスクタンカーズが初めてこのアイデアを実際に試しました。今のところ成功例は報告されていませんが、3Dプリント技術がうまく応用されれば、大きな経済的・社会的利益が得られることが予想されます。マールスクによると、石油タンカーは港の主要エリアへの進入が禁止されているため、船舶修理の従来の方法は、まずタンカー上で交換が必要な部品を特定し、次に会社に通知して船が通過する次の港まで部品を輸送し、最後に小型船を借りて部品を船に届けるというものだった。倉庫保管、梱包、通関などの運用コストに加え、部品交換にかかる総コストは5,000ドルにも上る。 3D プリント技術を使用する場合、船にプリンターと印刷材料を装備し、必要なときに部品を印刷するだけで済みます。 3Dプリント技術を活用することで、部品の納期サイクルを短縮し、コストを節約できるだけでなく、エネルギー消費による環境問題も軽減できます。

さらに、米海軍は早くも2014年に「プリント船」という概念を提唱し、積層造形と3Dプリント技術を部品のサプライチェーンに応用した。米海軍関係者は、積層造形技術を習得することは海軍の強みの一つになると述べた。もし船が航行中に3Dプリント技術を利用できれば、それは画期的な出来事となるだろう。それは間違いなくスペアパーツの搭載量を大幅に減らし、武器、燃料、物資の搭載量を増やし、海軍の海洋戦闘能力を大幅に向上させるだろう。

（２）３Dプリントされた船舶模型米カーダーロック海軍水上戦闘センターは、3Dプリント技術を使用して米軍の医療船の模型を印刷し、船上の風や気流の状態をテストすることに成功した。同センターの科学者らは、3Dプリントによって船の模型をより速く、より正確に、より低コストで作成できると述べた。この技術が普及・応用されれば、同分野や類似分野に大きな影響を与えることは間違いありません。

（３）３Dプリントされたプロペラ。 2016年初頭、2人の外国人愛好家が3Dプリント技術を使ってプロペラを製造しようと試み、比較のために4つの材料を選択し、豊富なテストデータを取得しました。

（4）3Dプリントドローン英国は5年前に3Dプリント技術を使って世界初のドローンSULSAを製作した。多くの改良を経て、2015年に海上試験を実施した。飛行時間はわずか40分だったが、低コストとミッション達成の性能は人々の強い関心と研究継続の決意を喚起するのに十分だった。 SULSAは、英国海軍の砕氷船の南極航海の航路を偵察するために2016年に正式に就役した。

米国海軍大学院は、現代の通信技術と装備技術を完璧に組み合わせて、海軍がさまざまな任務を遂行するための適切なドローンを印刷する3Dプリントドローンプロジェクトを立ち上げました。2015年12月には、テロ対策に必要な通信機器を搭載できるテロ対策ドローンが印刷されました。英国とは異なり、米国の3Dプリントドローンは船上で製造されており、3Dプリント技術は大きく前進している。

（５）その他の事項上記の用途に加え、付加製造はエンジンの鋳造金型、ターボチャージャー部品、ボートの模型にも利用されており、付加製造（3Dプリント）技術は造船分野のあらゆる面でその威力を発揮しています。 2016 年 1 月 7 日、ロイドレジスターは、付加製造技術の推進と応用を指導および規制することを目的として、3D プリントのグローバル認証規格を発行しました。

3. 造船分野における積層造形技術の普及に向けた技術的ボトルネック
現在、造船業界における積層造形3Dプリント技術の応用は、造船分野全体と比較すると氷山の一角に過ぎず、広く使用されるには程遠い。その理由は、積層造形技術がまだ新興の科学技術であり、次のような点など、まだ突破されていない技術的なボトルネックが多くあるためである。

（１）積層造形材料の相対的な希少性伝統的な造船に使用される材料は主に金属材料です。金属材料の発展には数千年の歴史があります。この長い歴史の中で、さまざまな特性を持つ多くの種類の金属材料があり、製造プロセスはますます成熟し、造船のさまざまなニーズを満たすことができます。対照的に、積層造形で使用される材料は非常に限られており、製造される製品は使用要件を満たすにはほど遠いものです。したがって、原材料の種類や性能に大きな進歩がなければ、積層造形技術の推進や利用に直接影響を及ぼします。

（２）試験・評価技術の相対的な遅れ伝統産業は発展の過程で、製品の安全な使用を確保し、人命と経済の損失を減らすために、成熟したテスト、評価、故障分析、安全性評価、寿命評価の技術一式を形成してきました。積層造形技術の開発には30年の歴史しかなく、科学者は主にプロセスと製品の研究開発に焦点を当てており、テストと評価技術について報告することはほとんどありませんでした。積層造形技術は従来の技術とは全く異なる加工・製造方法であるため、その試験・評価技術も異なる必要があります。世界各国の造船システムには厳格な検査および受け入れ基準があり、成熟した試験および評価基準が形成されるまで、付加製造技術が受け入れられることは困難です。
　　（３）知識構造の必要性積層造形技術の応用により、労働者に対する要求は高まり、機械設計、ソフトウェアプログラミング、動力学、電気工学などさまざまな分野の知識を習得する必要が出てきた。複合的な才能の育成は必然的に教育制度の改革に影響を与え、長いプロセスとなるだろう。
　　
（４）その他の事項労働対象や労働習慣の変化は必然的に人間の生活習慣に影響を与え、積層造形技術の開発は長いプロセスとなるでしょう。

4. 積層造形技術の応用の展望
積層造形技術は最近開発された新技術ですが、急速に発展しています。科学技術関係者は、積層造形技術が造船業界で広く使用され、造船業界に大きな影響を与えると一致して考えています。

5. 結論
私の国は造船大国ですが、造船強国ではありません。現在の造船業は労働集約型産業であり、私の国の人口ボーナス期の発展に適しています。世界の近代科学技術と軍事技術の発展により、我が国は必ずや造船大国から造船強国への転換を成し遂げるでしょう。造船分野における積層造形技術の応用は、造船業界に革命的な影響を与える可能性が高い。積層造形技術の主導権を握ることは、わが国の造船業界の急速な発展を促進し、わが国を世界の造船大国にすることにつながるだろう。

著者：中国船舶重工集団第725研究所の李雪峰、夏神林、楊暁
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