アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）は、一層ずつ積み上げて立体を組み立てる技術ですが、少量管理、複雑な設計の作成、頑強ながらも軽量の構造物の組み立てが可能である点から、航空宇宙産業の性質に合っています。とはいえ、広く導入されるようになるには、利用を制限する課題を克服しなければなりません。
アディティブ・マニュファクチャリングまたは3Dプリンティングは、プロトタイピングのはるか先を進んできました。今日、航空宇宙関連メーカーの大半が、この技術を活用して既存コンポーネントの機能性を高め、商用民間機向け非構造部品の組み立てを行っています。
アディティブ・マニュファクチャリングの熱狂的な支持者は、機体、翼、組み込みセンサーや他の電子機器などの複雑な形状をしたエンジンの重要部品を、このような革命的なプロセスを用いて「プリント」するようになる日を思い描いています。しかし、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）によると、そうした破壊的な未来像を実現するには、アディティブ・マニュファクチャリングが直面するハードルを乗り越えなければなりません。ORNLでは、さまざまな業界の何百社もの企業と連携し、アディティブ・マニュファクチャリングの最新技術の促進を図っています。
「アディティブ・マニュファクチャリングはラピッド・プロトタイピングや特殊な医療機器などへの適用で数多くの部品をプリントした実績があり、かなり成熟している技術と言えますが、大多数の分野での適用についてはまだ初期段階です」と、ORNLで製造実証施設のディレクターを務めるBillPeter氏は述べています。
品質の保証
ORNLでは毎年、約700の組織を代表する5,000名超の訪問客を受け入れていますが、訪問はとりわけアディティブ・マニュファクチャリングについて意見交換したいと考えています。Peter氏によると、最終製品に不可欠である部品の性能と安全性などについて、従来のプロセスによるものと同様の品質レベルをアディティブ・マニュファクチャリングで製造した部品でも達成できるかが最大のハードルであることが、訪問客との意見交換から明らかになりました。
「最大の懸念は、アディティブ・マニュファクチャリングによって作成したコンポーネントの品質を保証する手法がないことです」
「ラピッド・プロトタイピングや特殊な医療機器などへの適用では数多くの部品をプリントした実績があり、アディティブ・マニュファクチャリングはかなり成熟している技術といえますが、大多数の分野での適用についてはまだ初期段階です」
BILLPETER氏
ディレクター、オークリッジ国立研究所（米エネルギー省の製造実証施設
処理パラメーターの若干の修正のほか、粉末のチタンやニッケルなどの堆積物による微細構造が最終製品の機能を大きく変えることになると、Peter氏は続けます。
さらに、「データ解析・視覚化システムのフレームワークを使用して、航空宇宙産業関連メーカーが求める品質レベルで複雑な部品を繰り返し製造する方法を時間をかけて示していくことになりますが、完全なソリューションに到達するにはまだ数年かかるでしょう」
スピードの必要性
別のハードルは、1つの部品のプリントに使われる材料の堆積速度です。
アディティブ・マニュファクチャリングのプロセスは、CADによる3次元部品設計から始まり、次にそのファイルが積層マシンのコンピュータにダウンロードされ、電子的に非常に薄い層にスライスされます。マシンでは、金属の層であってもビルドプレート上に薄く広げることが可能です。コンピュータ制御されたレーザーやその他のエネルギー源は、オリジナルの3D設計のスライスデータに対応するパスの後に、金属の薄い層を焼結または融解させます。積層プロセスは部品がレンダリングされるまで繰り返されますが、このプロセスでは従来の製造技術よりも時間がかかる場合があります。
メーカーは常に生産サイクル時間を短縮する方法を探し求めているため、その点が問題となります。「堆積速度の向上を図ることが、航空宇宙産業やその他でも、アディティブ・マニュファクチャリングによるコンポーネントの適用に対する実現可能性を高めることになります」と、Peter氏は指摘します。
しかし、わずかこの数年での進歩を踏まえれば、研究者は希望を見出すことができるでしょう。たとえば、ORNLは米国を拠点とする受注生産機械メーカーであるCincinnatiIncorporatedと共同で非常に革新的なアディティブ・マニュファクチャリング・システムを開発しました。このシステムでは、今日のマシンより最大10倍大きい強化ポリマーのコンポーネントを、最大1,000倍速くプリントできます。つまり、過去に市販されていたマシンでは1時間当たり16～65立方センチであったのに比べて、1時間当たり16,000～65,000立方センチの堆積速度でのプリントが可能となります。このポリマーによる作業から得た知識を適用し、チームは現在、粉末金属を用いて同様の堆積速度の改善を達成することに注力しています、とPeter氏は説明します。
見覚えのある行程
KevinMichaels氏はICFInternationalの航空宇宙・MRO（保守、修理、点検）コンサルティング事業のバイス・プレジデントで、航空宇宙製造分野での世界的な権威です。アディティブ・マニュファクチャリングが進化を続ける中で、業界は他の変革技術、とりわけ複合材（コンポジット）の経験から教訓を学び取らなければならない、とMichaels氏は強調します。
1970年代、複合材はその強度と耐食性から広くもてはやされたものの、完全に受け入れられるには数十年かかりました。現状行われているような機体全体が複合材で構成される日が来ることを、予見した人はほとんどいませんでした。
「アディティブ・マニュファクチャリングも、10年後に振り返れば複合材の時と同様に論理的な帰結に見えるかもしれませんが、今日の時点でそれを予測することは困難です」と、Michaels氏は述べます。
複合材とアディティブ・マニュファクチャリング双方の開発を比較することは有益であると、ParagonEuropeanPartner（sロンドン、独立系プライベートエクイティ・ファンド）のマネージング・ディレクター兼戦略経営コンサルティング会社Candesicの航空宇宙産業プラクティスリーダーであるAntoineGelain氏は次のように説明します。
「類似性が教えてくれることは、テクノロジーの適用性と市場性には大きなギャップがあるということです。このギャップを埋めるには数年はかかると思います」
複合材もアディティブ・マニュファクチャリングと同様、メーカーの信頼を獲得しなければなりませんでした。Gelain氏は続けます。「複合材を使った航空機の構造が早い段階から確立されていたのに対し、（複合材を使用した機体の）認定と製造プロセスの確立に関しては長い時間を要しました。これまでの常識を塗り替えるような素材であったため、複合材を用いた製造で実行可能なビジネスモデルに切り替えて製造するよう、顧客を説得する必要があったからです。しかし、アディティブ・マニュファクチャリングはそれよりも速く進む可能性が高いでしょう。というのも、デジタル時代には、変革技術はより容易に適応することができるからです」
In the end, he said, business challenges will drive advancements in AM.
ビジネスの課題があるからこそ最終的に、アディティブ・マニュファクチャリングの進歩は促進されるだろう、と同氏は指摘します。「イノベーションのペースは全体としてはるかに速くなっています。主な理由として、名だたる企業は迅速に移行しない場合の危険性を認識しており、今までよりも積極的にリスクを取って躍進的なテクノロジーに多額の投資をしようと考えているからです」
著者： Tony Velocci