ジョンズ・ホプキンス大学と海軍が協力して3Dプリントの高精度監視技術を開発

3D プリンティングの世界では、リアルタイムで欠陥のない生産を確保するために、現場モニタリングが不可欠なツールとなっています。人間のオペレーターが必要に応じてプロセスをその場で調整できる従来の方法とは異なり、積層造形は事前に設定されたパラメータに依存するため、完了するまで検出できないエラーが発生することがよくあります。
「積層造形には現在、パラメータを設定すると機械が自動で製造を開始するオープンループシステムがあります」と、ジョンズホプキンス大学応用物理学研究所 (APL) の製造エンジニアであるマイケルプレスリー氏は述べています。「機械は、何か問題が起きたかどうかを知ることなく、何マイルもの溶接を行うことができます。現場監視技術を活用することで、エラーが発生した場合に、より早い段階で検出し、より効率的で正確なプロセスを開発できます。」
これらの監視テクノロジーは、カメラから高温計、熱電対（温度を測定するデバイス）までのシステム、分光計（化学物質や材料を識別するために光の波長を測定する）、調整可能な赤外線、可視光線、紫外線、X 線スペクトル、変位センサー、プロファイロメーター（表面仕上げの粗さを測定）、超音波トランスデューサー（通常は振動であるエネルギーを生成または感知する）、さらにはマイクまで、さまざまなセンシングモダリティをカバーしています。この幅広い範囲は、付加製造プロセスの複雑さから生じます。エンジニアは、ビルドプレート上を毎秒数メートルの速度で移動する溶融金属の液滴の温度と表面挙動、残されたバルク材料の質量、およびマシンで使用されるすべてのレーザー、ポンプ、アクチュエータ、フィードバック制御のシステム健全性を同時に測定できるシステムを必要としていました。
特に海軍などの防衛部門における製造能力の強化の緊急性を認識し、AM 監視技術を進歩させるための協力が進行中です。米海軍によるコロンビア級潜水艦の1320億ドルの購入は、効率的な生産方法の必要性を浮き彫りにしている。
△APLの製造工場にある金属プリンター。 (画像提供: ジョンズ・ホプキンス大学 APL/エド・ホイットマン)
軍事ニーズの予測<br /> さまざまな監視テクノロジーを統合することは、システムエンジニアリングにおける大きな課題であり、海軍の製造基盤全体でその重要性が高まっています。欧州駐留米空軍司令官のジェームズ・ヘッカー将軍はロンドンで開かれたパネルディスカッションで、米国の武器と弾薬の備蓄が危うくなりつつあると語った。
国防総省の抑止力プログラムをさらに支援するため、海軍は、海軍史上最大かつ最も複雑な潜水艦であるコロンビア級潜水艦 12 隻の購入に約 1,320 億ドルを投資する予定です。しかし、政府監査院の最近の報告書では、船舶を予定通りに納品するのは難しいかもしれないと指摘されている。
こうした製造上の課題に対処するため、海軍は従来の鋳造方法を補完し、潜水艦の生産を加速させるため、一般に 3D プリンターと呼ばれる付加製造システムの開発と導入を優先しています。この取り組みを支援するため、APL は最近、現場監視の現状を議論し、海軍作戦への実装のロードマップを概説するための作業グループを主催しました。 APL、NAVSEA、およびさまざまなパートナー組織間のコラボレーションは、付加製造を前進させるための共同の取り組みを強調しています。
海軍が現代の戦争の複雑さを乗り越えていく中で、現場監視の統合により製造プロセスの効率と信頼性が向上し、重要な資産のタイムリーな提供が保証されると期待されています。
「今日の艦隊と部隊の物流と維持の課題、そして将来の艦隊とその兵器システムの製造の課題を解決するには、協力が鍵となるでしょう」と、APL の海上遠征物流プログラムマネージャー、ジェームズボーガートは述べています。「私たちは、この分野を前進させるために、海軍、国防総省、およびパートナー組織との継続的な協力を楽しみにしています。」
この活動は、APL の戦力投射部、航空およびミサイル防衛部、研究および探査開発部からのチームメンバーによって管理され、海軍海洋システム司令部 (NAVSEA 05T) および戦略潜水艦プログラム実行オフィスの支援を受けています。参加する 32 の組織には、ペンシルベニア州立大学応用研究研究所、バージニア州先進製造センター、メイク・イン・アメリカ、陸軍研究所、海軍航空システム司令部、海軍研究局、オークリッジ国立研究所、国防兵站局、原子力規制委員会、およびさまざまな海軍水上戦闘センターが含まれます。
「海軍では、AM モニタリングに携わる人員が数十人から数百人に増えました。これは現実的で短期的なニーズであるため、全員に情報を提供し、できるだけ早く行動を起こせるよう取り組んでいます」とプレスリー氏は述べました。「AM 部品の検査をより迅速かつ改善できるため、現場でのモニタリングがここで重要な役割を果たします。」

協力的な組織を作る<br /> AM 自体は比較的新しいため、導入されている AM ツール、データ、標準も新しいものです。 7 月の作業部会会議は、この分野の最も聡明で鋭い頭脳を一堂に集め、この分野と、そのような能力に対する軍の信頼と回復力を前進させるための実践的な次のステップを考え出すことを目的としていました。
プレスリー氏はさらにこう語った。「現在、各組織の仕事は個別化されているので、全員を集めて、何を学んでいるのか、何をしているのか、何を改善できるのかを互いに伝え合いたいのです。」
会議はすぐに、ほとんどの人が予想していた以上のものになった。「必要な技術について話し合うつもりだったのですが、実際には必要な技術の多くはすでにあることがわかりました」とプレスリー氏は語った。「これからはコミュニティとしてもっと協力し、データを比較し、将来私たちにとって最も役立つものは何なのかを考えていく必要があります。」
最も共通して得られた知見としては、標準の必要性、センサーデータの効率的かつ安全な共有、共通の校正サンプル、分野と業界に関する認識とコミュニケーションの向上などが挙げられます。
APL は、2 日間のイベントに参加した 59 人の参加者による約 2,000 枚のポストイットを含む議論、メモ、声明を分析し、海軍が来年度の予算の優先順位を決定する際に使用するレポートを作成して海軍に提出しました。レポートの分析では、現場センサーの性能とデータ生成の標準化と分析に関するコミュニティの明確な懸念が特定され、校正プロトコルの標準化、センサー固有および材料依存の合格および不合格基準の定義、センサーデータの取得の優先順位付けなど、推奨される行動方針が提案されています。
「タスクフォースの調査結果に基づき、付加製造の可能性を最大限に引き出すために、私たちは海軍と協力して、従来の個々の部品の認定プロセスではなく、現場の監視とデータ分析を通じて高度な製造プロセスの認定または認証に注力しています」とボルグハート氏は述べた。「産業基盤を民主化し、中小企業を巻き込む可能性は、挑戦的でもあり、非常に刺激的でもあります。」

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