世界中の140社が鉄道業界における積層造形の応用を促進する協会を設立

2023年2月、オハイオ州で有毒化学物質を積んだ列車が脱線する事故が発生し、大きな注目を集め、鉄道業界に注目が集まりました。ご存知のように、輸送分野における積層造形（AM）の主な役割の 1 つは、安全性の問題を解決することです。これを担当する業界団体は、Mobility goes Additive (MGA) です。これは、主に鉄道業界における AM の応用に焦点を当てた、ドイツを拠点とする企業の国際ネットワークです。

△3Dプリントされた蒸気機関車用タービンインペラ。画像提供：ドイツ鉄道

MGA のマネージングディレクターは、ドイツ鉄道 (Deutsche Bahn) の AM 部門の責任者でもある Stefanie Brickwede 氏です。 Brickwede は、13 の異なるワーキンググループで MGA メンバーとして団結している世界中の 140 社以上の企業からなる協会を監督しています。ワーキンググループの 1 つである「鉄道承認」は、特に安全性の問題に焦点を当てています。 Brickwede 氏は、鉄道業界で AM を使用する場合の考慮事項は、他のほとんどの AM 市場セグメントの場合とは異なると指摘しました。

△3Dプリントされたホイールベアリングキャップ。画像提供：ドイツ鉄道

△ 国営鉄道MGAのマネージングディレクター兼AM責任者、ステファニー・ブリックウェーデ氏。

たとえば、航空宇宙産業では、付加製造を使用する主な理由の 1 つは重量を軽減することです。しかし、列車にかかる荷重を一定値に保つ必要があるため、部品自体が軽量であることは必ずしも良いことではなく、脱線などの大きなトラブルにつながりやすいのです。したがって、航空機や自動車とは対照的に、鉄道における積層造形の目的は、既存の部品の設計を複製することです。

鉄道車両は通常 30 ～ 50 年間稼働することが予想されるため、修理部品の残高は 10 年以上が業界標準の最低期間となります。例えば、AM の長年の支援者であり MGA のメンバーでもあるドイツの産業大手シーメンスは、インドで 35 年間にわたり、同社史上最も価値の高い鉄道契約を締結しました。これは、スペアパーツを非常に長い期間保管する必要があったことを意味しています。ブリックウェード氏は基調講演で、現在、MGA メンバーは鉄道部品の最大 10% を 3D プリントできると考えており、最終的には 50% に達する可能性があると述べた。

他の業界と同様に、鉄道会社は、未使用のスペアパーツの在庫を回避するために積層造形を使用することで間接費を削減できます。しかし、ジャストインタイム生産による収益性の向上に加え、鉄道輸送、特に貨物鉄道輸送の安全性は大きく向上することになります。これは、企業が AM を活用して、すでに実績のあるスペアパーツの手頃な価格と入手しやすさを改善し、コスト削減と安全性のどちらかを選択する必要がなくなるためです。

△電子センサーを備えた3Dプリント鉄道ブレーキキャリパー。

さらに、AM を活用して鉄道の安全性を向上しようとするプロジェクトもすでにいくつかあります。たとえば、フラウンホーファーILTプロジェクトの一環として、3Dプリントされた線路部品に埋め込みセンサーが組み込まれており、鉄道会社に車両の状態を通知し、最も緊急に交換が必要な部品を車掌に警告できるAI駆動型システムを作成することが最終目標となっています。鉄道では大量の有毒物質を輸送することがあり、危害のリスクが大幅に高まるため、このアプリケーションは貨物鉄道輸送の安全性に特に有益となる可能性があります。

このように大規模で国際的かつ多面的な協力企業ネットワークが存在することは、鉄道業界における 3D プリント部品の標準化の可能性が、航空機や自動車よりもはるかに大きいことを示唆しています。

鉄道における3Dプリントの応用
●SNCF：スペアパーツを3Dプリントして在庫を削減 フランス鉄道業界の大手企業である SNCF (フランス国鉄) は、日常の生産と製造に付加製造技術を取り入れ、スペアパーツの設計を迅速化し、長時間のダウンタイムを回避できるようにしました。 SNCF 設備部長のブルーノ・ラングロワ氏は次のように説明しています。「列車の可用性を確保するため、SNCF は欠陥のある部品をその日のうちに交換できなければなりません。しかし、列車は多数の部品で構成されているため、大量の在庫を管理する必要があります。積層造形を使用すれば、必要に応じて部品を製造することで在庫を削減できます。」 2021 年、SNCF は 3D プリント可能なスペアパーツを識別して認定できる 3YOURMIND ソフトウェアの統合を発表しました。 SNCF はこのソフトウェアを使用して、30,000 個を超えるスペアパーツのうち AM を使用して製造できる 3D プリント部品の 10.3% を特定し、納期を 85% 短縮しました。

●アルストム：3Dプリントのスペアパーツ
アルストムはフランスのパリ近郊に本社を置く大手フランス企業で、主な事業は電力と鉄道輸送インフラです。
2016 年、アルストムは付加製造が重要な役割を果たす「未来の産業」イニシアチブを立ち上げました。アルストムは、3D テクノロジーが鉄道業界にさらなる価値をもたらすことができると考えています。特に柔軟性の向上と、大きな経済的損失につながる可能性のあるダウンタイムの削減の点でその価値が高まります。 2021年、アルストムは路面電車の線路に関する具体的なケーススタディを発表し、3Dプリントを使用してヘッドライトの破損を防ぐTPU 92A製の排水プラグを設計しました。 48 時間で 12 個の部品を印刷し、固定費を 80% 削減しました。（通常、交換部品の受け取りには45日かかります）

△3Dプリントを活用することで、アルストムは柔軟で強度の高い材料を使用してより迅速に設計できる（画像提供：アルストム）

● POLGAR KFT: 3Dプリントシートプロトタイプ
POLGARKFT はハンガリーの自動車部品メーカーです。自動車産業の部品メーカーとして、Polgar は鉄道用の部品も設計しています。 Polgar は、Omni3D の Factory 2.0 産業用 3D プリンターを使用し、Metris 3D 社と提携して、プロトタイプのシートを 3D プリントしました。同社によれば、試作コストを大幅に削減し、コストの90％にあたる37万ユーロを節約できたという。ポルガー氏は、従来の方法では16週間必要だった部分をわずか3週間で完了できたと付け加えた。比較的大きな部品を設計するために、シートは組み立てられる前にさまざまなコンポーネントで印刷されました。

△ 3Dプリントシートのプロトタイプ（写真提供：Polgar）

Renfe: 3Dプリントのスペアパーツ
Renfe はスペインの主要国営鉄道事業者であり、地域鉄道事業や高速都市間列車を含むあらゆるレベルの鉄道事業を提供しています。同社には、スペアパーツの開発のためにさまざまな 3D テクノロジーを統合した製造およびメンテナンス部門があります。これらの新技術を統合することで、Renfe はスペアパーツの製造や小ロット、短納期の注文にも対応できるようになります。付加製造の利点は、他の従来の方法と比較して部品の製造コストと時間を節約できることであり、これは現在市場にある最も先進的な方法をビジネスに統合するという目標の一部です。

△マドリードのパイロットセンター（写真提供：Renfe）

●Run2Railプロジェクト 2018年に開始された欧州Run2Railプロジェクトは、ハダースフィールド大学鉄道研究所（IRR）のサイモン・イヴニッキ教授が主導し、列車製造プロセスの変革を目指しています。研究者たちは、3Dプリントとカーボンファイバーを利用して、より軽量で安全かつ静かな列車を設計したいと考えている。使用される複合材料と技術のおかげで、プロジェクトの関係者は、より軽量でありながら強度の高い複雑な形状の部品を製造できるようになると確信しています。サイモン・イヴニッキ教授は、3D プリントによって車軸箱やベアリング部品などの小型部品の製造が可能になると説明しています。 Run2Rail は 15 以上のヨーロッパのパートナーを結集し、ヨーロッパの鉄道業界の環境への影響を削減したいと考えています。

エンジェル・トレインズとストラタシスが協力
Angel Trains は、英国および欧州大陸市場に貨物車両および旅客車両を提供する会社です。英国の列車レンタル専門会社 AngelTrains は、ESG Rail および Stratasys と協力し、列車の内装専用のコンポーネントを多数設計しました。彼らは、3Dプリント技術を通じて鉄道業界を変革し、より速く、より重要で、より経済的な製造方法を提供したいと考えています。これまでに、プロジェクトメンバーはStratasys FDプリンターを使用して、アームレスト、ハンドル、折りたたみフレームを設計しました。 AngelTrainsは、従来の熱可塑性プラスチックよりも優れた特性を持つPEKK製の素材である、米国のメーカーAntero 800 NAフィラメントを使用したと述べている。

△3Dプリントされたタブレットコンピュータ（写真提供：Angel Trains）

● HS2 はコンクリートの 3D プリントを採用 英国ハイスピード2（HS2）プロジェクトは、2012年1月8日に英国政府によって承認された高速鉄道プロジェクトです。初期投資は320億ポンドに達し、全線は2033年に運用開始される予定です。
HS2は英国のインフラを改善するだけでなく、旅行者に環境に優しい交通手段の選択肢を提供する手段とも考えられている。環境汚染の削減と製造コストの削減は、常にこのプロジェクトの目標でした。ロンドントンネルの請負業者である SCS JV (Skanska Costain STRABAG Joint Venture) は、この鉄道の建設において上記の目標を達成するためにコンクリート 3D プリントを使用しました。 SCS JV は、現場で必要な構造物を製造できる、コンピューター制御のロボットを使用してコンクリートを印刷することを計画しています。

△完成後のHS2の外観（写真提供：HS2 Ltd）

● NSが3D技術の世界に参入
NS はオランダの主要鉄道会社であり、オランダの鉄道システムの運営を担当しています。オランダ鉄道（NS）は、自社の列車の部品20個を3Dプリントすると発表した。付加製造に重点を置くだけでなく、3D スキャナーやデジタル化などの他の種類のテクノロジーも取り入れています。 NS社は、ダッシュボードフレームなど複雑で複製が難しい部品の製造が可能になったとしている。彼らは古いモデルを 3D スキャンし、積層造形法を使用して新しいコンポーネントを作成しました。 NS この統合により、製造時間とメンテナンスプロセスが大幅に削減されます。

△ 3Dプリント部品の例（写真提供：Nederlandse Spoorwegen）

●ボンバルディア・トランスポーテーションとストラタシスの提携 ボンバルディア・トランスポーテーションはボンバルディア・グループの子会社であり、鉄道設備の供給を担当しており、世界最大の鉄道設備製造・サービス会社でもあります。ボンバルディア・トランスポーテーションは世界的に有名な鉄道車両製造会社です。ドイツに拠点を置く同社は、3Dプリントの大手企業の一つであるストラタシスと長らく協力関係を築いてきた。 Stratasys のおかげで、Bombardier Transportation は列車や路面電車用のさまざまなプロトタイプ、ツール、最終部品をすべて 3D プリンターで製造できるようになりました。ボンバルディア・トランスポーテーションは、付加製造技術を活用することでコストを削減し、時間効率を高めることができました。 Stratasys F900 3D プリンターの造形体積は 914 x 610 x 914 mm で、Bombardier Transportation の 3D プリントされたダクト、保護ハウジング、ケーブルトレイに特に適しています。

△Bombardier TransportationはStratasys F900を使用して製造されています。 (画像提供: ボンバルディア・トランスポーテーション)

● Mobility Goes Additive が 3D プリントを民主化 ベルリンを拠点とするMobility Goes Additive（MGA）は、数年にわたり積層造形に注力してきました。 MGA の目標は明確です。鉄道部門および輸送部門全体で 3D プリントの使用を民主化することです。 2019年、鉄道分野で初の3Dプリント部品が承認されました。具体的には、現在ハンブルクの地下鉄で使用されている金属製のブレーキサスペンションです。 2017年に設立されたMGAでは、シーメンス・モビリティ、ドイツ鉄道、フラウンホーファー研究所など、数多くのパートナーとの協力によりブレーキ部品の承認を達成しました。最後に、TÜV は 3D プリントされた部品に最終承認を与える前に、必要な品質保証も実施しました。

●ユニオン・パシフィックが 3D プリントを導入 ユニオンパシフィック鉄道は、総路線距離 36,000 マイルにわたり、米国西部の 3 分の 2 の貨物輸送を担当しています。
他の多くの大陸、特にヨーロッパやアジアとは異なり、米国では商業鉄道輸送はそれほど目立っていません。そうは言っても、鉄道は今でも主に貨物輸送のために米国を横断しており、米国経済において重要な役割を果たしています。ユニオンパシフィック (UP) は、2013 年に早くも、機関車の運行をより安全かつ効率的にするために積層造形技術の使用を開始しました。どの3Dプリント技術が使用されたかは明らかにされていないが、同社がプロトタイプ作成に3Dプリントを多用していることは明らかだ。

△写真提供：ユニオン・パシフィック鉄道

● CAFは鉄道部品に積層造形を採用
CAF Manufacturing は、列車および鉄道設備の製造を専門とするスペインの企業です。数年前、CAF は一連の 3D プリントされたフロントエンドコンポーネントを統合した初のライトレール車両を開発しました。このプロジェクトは、CAF Urbos 車両の部品の設計と製造を行うために、Zaragoza Trams と共同で実施されました。これを実現するために、彼らは火災と煙に関する鉄道業界の最も厳しい規制に準拠した高度なポリマーの 3D プリントを使用しました。さらに、この技術はスペアパーツの供給において競争力のある代替手段と見なされています。 RL Components は、3D スキャンを使用してスペアパーツのリバースエンジニアリングを開発することもできます。

△プロジェクトの背後にいるチーム（画像提供：CAF Manufacturing / Zaragoza Tramway）

シーメンスモビリティサービスと Fortus 450mc
シーメンスモビリティサービスは 2020 年から 3D プリントサービスを利用しています。鉄道業界における革新的な製造のために Stratasys が開発した Fortus 450mc 3D プリンターを使用します。シーメンスモビリティサービスの投資理由は明確です。同社は、積層造形によって、重要なコンポーネントの生産とメンテナンスの柔軟性と効率性を高めたいと考えているのです。特に、一部の列車のモデルや関連するスペアパーツは生産中止になっている場合があり、修理作業が困難になっています。

△シーメンスモビリティサービスは 3D プリント企業ストラタシスの技術を採用 (画像提供: シーメンスモビリティサービス)

●ドイツ鉄道は積層造形を活用 ドイツ鉄道（Deutsche Bahn AG、通称 DB）は、ベルリンに本社を置き、1994 年にフランクフルトで設立されたドイツの国営交通会社です。 DBは大型3Dプリンターを導入し、積極的に活用して以来、時代の変化に対応し続けています。ドイツの独占企業は、効率と速度を向上させるために、主に付加製造を利用して列車を保守しています。そのため、列車のメンテナンス用の工具に加え、正確にはプラスチック製のスペアパーツもすでに3Dプリンターで生産されています。 DBは2021年に、サプライチェーンの問題や原材料不足を心配することなく、必要なスペアパーツを現場で在庫できるようになるため、積層造形技術を活用すると発表していた。

△ドイツ鉄道は革新性で有名（写真提供：ドイツ鉄道）

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