国務院発展研究センター：付加製造技術は広範囲にわたる影響を及ぼす

出典：国務院発展研究センター国際技術経済研究所

3D 印刷技術としても知られる付加製造 (AM) とは、コンピューターの 3 次元設計モデル、ソフトウェアによる階層化されたディスクリートおよび CNC 成形システム、レーザービーム、ホットメルトノズルなどの方法を使用して、金属粉末、プラスチック、細胞組織などの材料を層ごとに積み重ねて物理的な製品を製造する技術を指します。近年、積層造形技術は急速に発展し、世界の製造業で徐々に広く使用されるようになりました。この記事は、事実とデータを列挙し、新しい技術が製造業にもたらす課題を分析し、将来の開発動向を説明することで、積層造形の現在の開発状況を示すことを目的としています。

1. 積層造形技術開発の現状

付加製造技術の応用範囲は広く、航空宇宙、バイオメディカル、国防、軍事産業に応用されており、徐々に他の分野にも拡大しています。付加製造技術により、ますます多くの分野で製品の改善と革新が進み、コスト削減と効率向上が実現しています。

1. 航空宇宙

航空宇宙分野は、製品性能に対する要求が高く、軽量化の需要が大きく、コストに敏感ではありません。一部の部品は積層造形技術の使用に非常に適しています。近年、この技術が最も広く使用されている分野です。アメリカ航空宇宙局（NASA）は、航空宇宙分野における積層造形技術の応用に関する全体的な計画を作成し、ほぼすべての金属 3D 印刷プロセスを検討してきました。 2021年5月、NASAのエンジニアは積層造形技術を使用して、初の実物大銅合金ロケットエンジン部品を製造しました。 2022年10月、GEアビエーションは金属3Dプリント技術を使用して、150個以上の部品を直径1メートルの高温合金部品に統合しました。 2023年3月、世界初の完全3Dプリントロケット「Relativity Space Terran1」がMax-Q段階の飛行に成功し、所定の主要目標を達成し、積層造形技術の大規模応用における重要なマイルストーンをマークしました。

2. バイオメディカル分野

付加製造製品は、オンデマンドでカスタマイズでき、製造サイクルが短いため、整形外科や歯科インプラントなどのバイオメディカル分野での使用に非常に適しています。同時に、付加製造技術は生物学分野における科学研究と革新も促進してきました。 2022年2月、オランダのユトレヒト大学の研究者らは、超高速体積3Dバイオプリンティング法を用いて機能的な肝臓を作製した。ハーバード大学医学部と四川大学は協力し、低温生物学的3Dプリント技術を使用して生きた人間の腱を作成した。 2022年6月、アメリカの企業である3DBio Therapeuticsは、3D細胞プリント生体組織インプラントを使用して、右耳の小耳症の患者の外耳を再建しました。 2022年8月、インド初の3Dプリント角膜が動物実験に合格しました。 2022年12月、フランスの医療機関は3Dバイオプリンティング技術を使用して、鼻がんの患者の鼻再建手術を完了しました。 2023年3月、マサチューセッツ工科大学の研究者らは、心臓弁置換手術の成功率を向上させるために、心臓のレプリカを3Dプリントする方法を開発した。

（III）国防と軍事産業

付加製造技術は、製造速度、製造コスト、製品重量に対する軍事製品のより高い要件を満たすことができ、各国の防衛部門で広く採用されています。 2023年2月、米海軍戦略潜水艦プログラム執行部（PEOSSBN）のマット・サーモン事務局長は、軍用造船の将来は金属積層造形にかかっており、米海軍は積層造形技術の導入を今後も増やしていくと述べた。 2022年7月、米海軍は2番目のワスプ級強襲揚陸艦にゼロックス液体金属3Dプリンターを設置しました。これは米海軍の艦艇に配備された初の金属積層製造装置となります。 2022年7月、英国空軍は積層造形技術を使用してドローンの艦隊を作成した。艦隊は迅速に展開し、戦略目標を破壊するための弾薬を搭載することができます。 2023年2月、米海軍はIperionXのリサイクル・再製造されたチタン合金粉末を使用して船舶用ポンプ部品を3Dプリントすることを承認した。 2023年3月、オーストラリアのメーカーNupressは、オーストラリアのAAI水陸両用航空機プロジェクトに3Dプリントされたカスタマイズされたモデルと部品を提供するために、SPEE3Dと協力契約を締結しました。

2. 積層造形技術の発展は広範囲にわたる影響を及ぼす

付加製造技術は、従来の製造モデルとサプライチェーンの構造を変えるでしょう。従来の製造モデルでは、経済的利益を得るために大量生産に依存していましたが、積層造形技術は小ロット生産をサポートし、カスタマイズされた生産を可能にします。付加製造技術を利用することで、メーカーは顧客のニーズに柔軟に対応できるだけでなく、新製品をより早く発売し、生産効率を向上させることができ、製品の設計、生産、流通の方法に大きな影響を与えます。

1. 積層造形は製品の設計方法を変える

従来の製造方法による製品設計は金型やツールによって制限されますが、積層造形技術のデジタル設計プロセスは個々のニーズに応じて完全にカスタマイズできます。例えば、医療分野では、医療機器メーカーは積層造形技術を利用して、患者の特性に合わせてカスタマイズされた整形外科用インプラント、脊柱側弯症用装具、補聴器などを製造でき、患者の適応性や術後の治癒速度が大幅に向上します。

2. 積層造形は製品の製造方法を変える

付加製造は小規模な製品を生産できるため、試作や小ロット生産に最適です。これにより、小ロットカスタマイズの高コストの問題が解決されるだけでなく、製造時間が短縮され、中小企業や新興企業に新たな機会が提供されます。たとえば、American Pearl などのいくつかのジュエリー会社は、従来の金のジュエリーの製造に付加製造技術を適用しています。付加製造技術の助けにより、消費者の個別のニーズに合わせてカスタマイズされたジュエリーを 1 週間以内に設計、製造、配送できるようになり、ジュエリー製品の製造および販売方法が大きく変わりました。

3. 積層造形はサプライチェーンの構造を変える

付加製造技術は、遠隔地や従来の製造方法が不便な地域でも製品を生産できるため、遠隔地での生産能力不足や設備部品の供給遅れの問題を解決することは大きな意義があります。たとえば、ゼネラル・エレクトリック社は、石油・ガス掘削プラットフォームで使用されるガスタービンエンジンの交換部品の製造に積層造形法を採用しています。さらに、英国シェフィールド大学の研究者らは、遠隔地の人々に携帯電話の信号を強化し、インターネット接続を高速化できる無線アンテナを3Dプリントする方法を開発した。付加製造技術の普及により、サプライチェーンの分散化が進み、製品をユーザーの近くで生産できるようになり、輸送や物流の必要性が減ります。

3. 積層造形技術の開発動向

ガートナーの技術開発曲線によれば、新しい技術のライフサイクルは、誕生、過熱、谷間、そして最終的に人々に受け入れられるという過程をたどります。付加製造技術は長年にわたって存在しており、時代の発展とともに新たな進歩を遂げ続けています。研究開発と製造サイクルが短い、材料利用率が高い、労力と生産ライン構築が節約できるなどの利点があり、近年ますます注目を集めており、現在急速な発展段階にあります。今後の積層造形技術の発展方向は、多様化、大規模化、インテリジェント化の傾向を示すことが予想されます。

多様化。現在、積層造形技術は、金属、プラスチック、生体材料など、さまざまな材料を使用して印刷することができ、異なる材料間の混合を実現できます。将来的には、積層造形技術により、材料の選択性と組み合わせ性がさらに向上し、多機能印刷効果も実現される可能性があります。

規模。現在、積層造形技術により、建物や大型航空機部品など、いくつかの大型物体の印刷が可能になっています。将来的には、積層造形技術により、印刷速度や精度を向上させながら生産規模をさらに拡大し、大規模な統合製造を実現する可能性があります。

知能。現在、人工知能 (AI) 技術は、積層造形の分野で部品の選別、複雑な設計の生成、品質管理の監視に使用されています。 ChatGPT に代表される新世代 AI 技術の画期的な進歩により、AI と付加製造の深い統合により、付加製造の効率と品質がさらに向上します。

研究所の紹介

国際工学経済研究所（IITE）は1985年11月に設立されました。国務院発展研究センターに所属する非営利研究機関です。主な機能は、我が国の経済、科学技術、社会の発展における重要な政策、戦略、将来問題を研究し、世界の科学技術と経済の発展動向を追跡・分析し、中央政府と関係省庁に意思決定コンサルティングサービスを提供することです。「グローバルテクノロジーマップ」は、最先端の技術情報と科学技術革新に関する洞察を一般の人々に提供することを目的とした、国際技術経済研究所の公式WeChatアカウントです。

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