造船分野における3Dプリント技術の応用

造船業界にとって、3Dプリントは非常に新しい技術と言えます。現時点では、実用的なアプリケーションは多くありません。しかし、製造業の不可欠な部分として、3Dプリント技術の発展は、設計と製造段階だけでなく、運用段階でも、造船業界に重要な影響を与えることは間違いありません。現時点ではあまり明らかではありませんが、すべての関係者がこれに注目し始めています。

造船分野における3Dプリントの応用

前述の 3D プリントの長所と短所から判断すると、この技術は造船分野と幅広い用途において依然として良好な発展の見込みがあります。例えば、船舶の設計段階では、設計の検証や改善のための模型が作られ、船舶を支える小ロットのカスタマイズされた製品が製造され、運用段階ではスペアパーツが供給され、船舶搭載型ドローンや無人ボート、さらには小型ボートも製造されます。以下では、造船分野における3Dプリント技術の実用化事例と、この新技術に対する関係者の姿勢や意見をいくつか紹介します。

マースクの3Dプリントスペアパーツサプライチェーン

数年前、マールスクタンカーズはすでにこのトレンドに追いつき、3Dプリントの新技術を利用して船舶スペアパーツのサプライチェーンを革新しようとしていました。同社関係者は、機器の故障への対応は乗組員にとって共通の課題であり、部品を陸上から船にできるだけ早く届けることに重点を置いていると述べた。従来の方法は、まず必要な部品を決定し、次に船が寄港する次の港まで部品を輸送し、最後に小型船をチャーターして必要な部品を船に届けるというものです。小型ボートをレンタルする理由は、石油タンカーの貨物は危険な性質を持っているため、港の主要エリアへの進入が一般的に禁止されているためです。
これらの手順に加えて、タンカーが時間通りに到着しないことが多いため、部品の配送はさらに複雑になります。マールスクタンカーズの船舶の3分の2はスポット取引モデルで運航されているため、顧客が船舶をチャーターした後、貨物をどこで降ろすかが必ずしも明確ではない。ベネズエラとヒューストンの間のどの港になるかは不明だ。この不確実性はスペアパーツの配送にも問題をもたらす。コスト面では、倉庫保管、梱包、港までの航空輸送、通関、小型船のレンタルなどを含め、部品 1 つを船に配送するコストだけでも 5,000 ドルにもなります。さらに、一連の輸送プロセスでは大量の廃ガス排出も発生し、環境保護に役立ちません。一般的に、スペアパーツを船舶に輸送する従来の作業の欠点は、作業プロセスが複雑であること、コストが高いこと、環境に大きな影響を与え、船舶の航行時間が長くなることの 4 つにまとめることができます。
一般的に言えば、新興技術には未知数な部分が多く残っています。3Dプリント技術が船舶でどの程度活用できるかはまだ不明ですが、たとえ少数の部品しかプリントできなくても、サプライチェーンのコストに大きな影響を与えるでしょう。船上で3Dプリントを活用すれば、梱包や輸送といった一連のコストが削減され、環境にも優しくなります。
そこでマールスクは、乗組員が必要な部品を「印刷」できるように、石油タンカーの 1 隻に 3D プリンターを設置することを決定しました。残念ながら、この試みはひそかに棚上げされ、マールスクタンカーズは進捗報告を更新しなかった。報道によると、同社は船上ではなく陸上で3Dプリンターを使用することを好むかもしれないと推測されており、もちろんこれらのスペアパーツが印刷可能であるという条件付きで、そうすれば少なくともスペアパーツの配送時間は短縮されるだろう。

エンジン製造への応用

3Dプリントでは金属材料が使用できるようになったため、世界的に有名な大手企業もこれに大きな関心を示しており、これを利用して生産速度を上げ、より複雑で軽量な部品を（機械加工や成形部品に比べて）低コストで作成したいと考えている。
もちろん、新しい技術の適用は、一般的に、正しい軌道に乗るまでに開発、慣らし、適応の段階を経る必要があります。初期段階では、スペアパーツのサプライヤーの承認など、多くの問題が発生することは間違いありません。マールスクの計画は、メーカーと協力して 3D プリント技術を開発することであり、これにより、法的紛争を最大限に回避できるだけでなく、プリントされたスペアパーツの品質の信頼性も高まります。同社にエンジン部品を供給しているMAN Diesel & Turbo社もこれに非常に興味を持っており、逃すことのできないチャンスだと考えている。
しかしMANは、現段階では迅速なプロトタイピングと高い設計自由度が3Dプリント技術の最大の利点であることは間違いないが、この技術は単純な部品の連続生産には適していないと述べた。同時に、エンジン材料構成に占めるプラスチックの割合が低く、現在の金属材料を使用した3Dプリントは作業速度が比較的遅いため、MANは3Dプリントに金属材料を使用することに非常に興味を持っているものの、作業速度が遅いことでこの技術の利点が相殺されることも認めています。また、金属材料に対応した3Dプリンターは現状では比較的高価であり、購入コストも高くなります。
MANに加えて、他のエンジンメーカーも3Dプリントに対して慎重ながらも楽観的な見方を示しています。たとえば、世界的に有名なエンジンメーカーである MTU と Wärtsilä は、3D プリント技術をまだ使用していないと述べています。しかし、両社はMANの協力路線を踏襲し、3Dプリント技術の発展を注視していく可能性が高い。
3D プリント技術は現時点ではエンジン部品の製造に直接使用するには適していませんが、複雑な鋳造金型を印刷してエンジン用の金属鋳物を生産するなど、他の回避策や実用的な用途があります。次の段階は金属部品を直接印刷することです。これにより、コストがかかり、3D 印刷よりも精度が劣る鋳造プロセス全体が不要になります。

3Dプリントされた船の模型

船舶だけでなく、日常的な水槽試験用の船舶模型の作成や空気力学試験など、陸上での3Dプリント技術の利用も徐々に増加しています。米国カーデロックの海軍水上戦闘センター（NSWC）のチームは、3Dプリント技術を使用して、大型で複雑な米国海軍病院船（T-AH 20）の縮小モデルを作成することに成功しました。このモデルは、ヘリコプターの運用の安全性を向上させるために、船上の風や気流の状態をテストするために使用されます。船の模型はよくできているだけでなく、プリンターが 24 時間稼働できるため、手作業による方法よりも大幅に高速です。チームのエンジニアは、3D プリント技術によって船舶模型の製造にさらなる利点がもたらされ、より速く、より正確で、より低コストの船舶模型を提供する前例のない能力が得られたと述べています。しかし、船舶モデルの3Dプリントは簡単な作業ではありません。外観構造に加えて、エンジニアは動力学、空気力学、機械工学、電気工学などの専門知識を使用して、モデルの細部まで処理し、標準要件を満たす必要があります。

3Dプリントプロペラ

2016年初頭、海外メーカー2社が3Dプリンターを使用して船舶のプロペラを製造しようと試み、これはプロペラ製造分野における3Dプリントの応用にとって良いスタートとなりました。プロペラがエンジンの強力な推力と高塩分の海洋環境に耐えられるように、ABS、木材/PLA、ポリカーボネート、炭素繊維PLAの4つの材料をテスト用に選択しました。まず、3Dスキャンを使用してプロペラの外観を取得し、次にCADソフトウェアを使用して内部設計を実行し、最後にプロペラを4つの材料で印刷します。なんと、金属よりも強度があるといわれるカーボンファイバーPLAは、陸上テストにも合格しませんでした。ABSとポリカーボネートでプリントしたプロペラは問題ありませんでした。しかし、木材/PLA（塗装済み）でプリントしたプロペラは予想以上の性能を発揮し、完璧でした。実際の船舶テストでは、ABS プロペラに軽微な損傷と亀裂がありましたが、木製/PLA プロペラは今回のテストで不合格となり、モーターの推進力で直接破損しました。ポリカーボネートは性能が非常に優れており、モーターの強力な推進力に耐えられるだけでなく、厳しいボート環境にも良好な状態で耐えることができます。 3Dプリントされたプロペラのパワーはわずか15馬力ですが、これは材料選択の重要性を示しています。材料の強度が高いほど、より適しています。十分なテストを行った後にのみ、最も適したものを見つけることができます。

3Dプリントプロペラ
米海軍における 3D プリントの応用

現在、米海軍の一部の艦艇には3Dプリンターが搭載されており、主にオイルキャップやドレンプラグなどの小型部品の印刷に使用されており、米海軍は適用範囲の拡大を計画している。これの利点は、船上に保管されるスペアパーツの量が大幅に削減されることです。
2014年4月、米海軍はUSSエセックス強襲揚陸艦に3Dプリンターを設置した。当初、乗組員は必要な部品をいくつか印刷するだけで済みました。現在、カスタマイズされたドローンが特別なタスクを実行する際の有効性をテストするための 3D プリントドローンプロジェクトが進行中です。このプロジェクトは海軍大学院の研究者によって行われており、最新の通信技術と組み立て技術を組み合わせて、乗組員がさまざまなタスクを実行する際に対応するドローンを組み立てることができるかどうかを研究しています。
このプロジェクトの基本的なコンセプトは、陸上の研究機関がニーズに応じて対応するドローンを設計し、それを船上の3Dプリンターに送信してドローンの本体を印刷するというものです。印刷が完了した後、乗組員は指示に従って組み立て、プラスチック部品と機内にあらかじめ用意しておいた電子部品を組み合わせて、ドローンの製造を完了した。用意した部品には、エンジン、無線通信機器、コントローラー、GPSデバイスなどがある。この方法により、船はドローン用の一般的な電子部品を少数搭載するだけでよく、さまざまなミッション設計に応じてさまざまなドローン本体を印刷し、さまざまなコンポーネントを構成できるようになります。例えば、昨年 12 月、エセックスは対テロ作戦用のドローンを 3D プリントしました。このドローンは送信機と小型カメラを搭載するように設計されており、乗組員が装着するヘッドマウントディスプレイにリアルタイムのビデオを送信できます。この方法は、危険海域を通過する商船にも適用できます。

海軍に加えて、米国沿岸警備隊も船舶での3Dプリントの実用化を検討しています。2015年の夏、沿岸警備隊の砕氷船「カッターヒーリー」はMakerBotの第5世代3Dプリンターを搭載し、北極への3週間の科学探検に出発しました。探検中、3Dプリンターは常に忙しく、一見小さいが厄介な多くの問題を解決し、その能力を大いに発揮しました。たとえば、港を出た後、毎日70セット以上の食器を洗わなければならなかった食器洗い機が故障したため、紙皿とカップを使用する必要があり、それらは限られた供給量で、乗組員の食事体験が大幅に減少しました。幸いなことに、船の3Dプリンターはすぐに部品を印刷して食器洗い機を修理しました。それ以来、乗組員は3Dプリントを使用して独自の技術的問題を解決したため、この3Dプリンターは、Go大型の航空宇宙気球にはプロ仕様のカメラが搭載され、拷問を受ける乗組員用のインソールや娯楽用の小道具までもが3Dプリントされている。関係するエンジニアは、将来的には複数の異なるタイプのプリンターを同時に使用し、より多様なニーズに対応できるようにしたいと考えている。

英国海軍における3Dプリント技術の応用

5年前、英国のサウサンプトン大学は、翼幅1.5メートル、プロペラ駆動を備えた世界初の3Dプリントドローン「SULSA」の設計と発売に成功したと発表しました。一連の改良を経て、2015年半ば、3Dプリントされたドローンはドーセット沖の英国海軍のリバー級巡視船マージー号で海上テストされた。しかし、船上でリアルタイムにドローンを3Dプリントする米国とは異なり、SULSAは現在、陸上で3Dプリントされ、その後船上で組み立てられている。現在、SULSA の 4 つの主要部品は、EOS EOSINT P730 ナイロンレーザー焼結プリンターを使用してプラスチックまたは金属構造で作られています。すべてのコンポーネント間に留め具はなく、「スナップオン」技術を使用して接続されているため、すべての組み立て作業はツールなしで数分で完了します。 SULSAの重量はわずか3kgで、長さ3メートルのカタパルトから発射される。自動操縦装置を備え、最高飛行速度は時速約161キロ。
従来の船舶搭載型ドローンは高価なため、小さな操作ミスや部品の問題で数百万ポンド相当のものが海に沈む恐れがある。 SULSAのコストはわずか7,000ポンドで、飛行時間は40分程度しかかからないものの、海賊や密輸の監視などの任務を遂行するには十分であり、損失さえ許容できる。海上試験は基本的に、「使い捨て」ドローンが軍事活動や救助活動にどのように使用できるかを評価するためのものだ。このような 3D プリントされたドローンを使用すると、コストを削減できるだけでなく、ミッションの性質に基づいた「プライベートなカスタマイズ」も可能になります。

SULSA、海上試験中
2016年、SULSAは英国海軍の砕氷船「プロテクター」の南極航海の航路を偵察し、同船にとって最適な航路を模索するために正式に実用化されました。 SULSAの各ミッションは約30分間続き、飛行速度は約96km/hです。航空機には自動操縦装置が搭載されているが、今回のミッション中、乗組員はノートパソコンを介してSULSAを遠隔操作し、機内カメラで撮影したリアルタイム画像を送信する。また、リサイクルして再利用することもできる。

砕氷船の乗組員がSULSAを回収
英国は、5年以内に海軍艦艇にSULSAのようなドローンを印刷できるマルチマテリアル3Dプリンターを装備すると発表した。それまでに、各ドローンは特定のミッションに合わせてカスタマイズされることになる。また、英国の「スターポイント」計画には「ドレッドノート2050」というプロジェクトがあると報じられており、2050年までに英国の軍艦の船体に全方位視界を確保するために半透明になるアクリル素材が使用されるとしている。同時に、艦内に3Dプリンターを設置し、レーザー兵器や電磁兵器、さらにはドローン群を製造する予定だという。

その他のアプリケーション

上記の用途以外にも、3Dプリント技術は船舶分野で多くの実用化が進んでいます。例えば、シンガポールのTru-Marineは3Dプリントを使用してターボチャージャー部品の迅速な修理と製造を行っており、ロッテルダムは港に到着した船舶を迅速に修理するための3Dプリントセンターを建設し、水ジェット推進船の模型（電子機器とバッテリーを除くすべての部品）を3Dプリントしています。さらに、3D プリントに対する人々の信頼を高め、3D プリント製品の品質に対する疑問を解消するために、ロイド船級協会は 2016 年 1 月 7 日に 3D プリントの世界的な認証基準を発表しました。

3Dプリントされたジェット推進ボートの模型とジェット推進ボートの部品これらの事例から、高精度、高自由度、材料消費量が少ない、成形が便利、経済性、環境保護など、3Dプリント技術の利点が造船業界にとって大きな魅力であり、すでに船舶の設計、建造、運用、メンテナンスのさまざまな段階に影響を与えていることがわかります。

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