世界に1つしかない部品の印刷から、現場での迅速な修理まで、積層造形技術が産業基盤を破壊しつつある。材料とプロセスにおける革新で新たな可能性を開き、同技術への関心が高まっている
自動車、航空宇宙、ヘルスケアなどの市場で積層造形技術を採用するにつれて、その機会は増える一方である。グランド・ビュー・リサーチのデータによると、世界の積層造形産業は2030年までに761億6000万ドルに膨れ上がる可能性がある。これは年平均成長率で20.8%に相当し、製造業全体の成長率をはるかに上回る。
軍にとって、積層造形は従来の製造方法を用いた製品の物理的弱点など、設計上の脆弱性に対処する能力となる。一方、連邦政府と業界団体は、長年のサプライチェーン問題を解決する可能性に賭けている。
しかし、有望な進歩にもかかわらず、防衛分野には大きなハードルが残る。普及には、流通網のあらゆる階層のメーカーが投資を惜しまないことが必要となる。しかし大規模企業が採用の大半を占めているのが現状だ。
積層造形技術は新興技術と見なされることが多いが、最も初期の軍事利用は、エンジニアがアディティブ技術の開発を始めた1980年代後半にさかのぼる。しかし、初期の用語の使い方はさまざまだった。業界のコメンテーターが "アディティブ・マニュファクチャリング"という用語を一般化したのは、2000年代に入ってからである。
新しい技術、特に業界全体の標準が不在の技術の導入は、困難な作業だ。米軍の各部門は、世界で最も大規模かつ複雑な組織である。陸軍だけでも200万人以上の職員がいる。一貫した言語もなく、技術に関する知識も限られていたため、1980年代から1990年代にかけて業界で働いていた人の中には、積層造形の可能性を理解していた人はほとんどいなかった。その結果、国防部門での受け入れは、他の部門に遅れをとった。
とはいえ、過去30年間にわたり、軍は研究開発機能への導入に一貫して取り組んできた。各部門が付加技術をプロセスに組み込む新方法を模索する中で、研究者やエンジニアは、付加製造がギャップを埋め、課題に対処できるスペースを特定した。当初は、この技術が従来の製造技術を補完する使用例が中心だった。例えば、ツーリングガイド、治具、固定具の印刷などだ。
転機は、2016年初めに国防総省が軍での3Dプリンティングを模索する一連のワークショップを開始したときだった。これらの調査結果が軍がこの技術を広く活用するロードマップを提供した報告書へ発展した。
現在では、陸軍研究所の先進製造実践コミュニティから海軍のAdditive Manufacturing Technical Interchangeに至るまで、軍の各組織が研究開発ポートフォリオに積層造形を取り入れている。過去10年間で、各組織は、基地や現場での生産活動を強化するために、積層造形への依存度を高めてきた。
2022年11月、海軍は初めて艦船に金属3Dプリンターを設置した。ステンレス鋼をプリントするこの機械は、乗組員に工業レベルの製造能力を提供し、これまで利用できなかった部品のオンデマンド製造を可能にした。第三者業者への依存を減らすことで、この技術は艦船と乗組員の自給自足を可能にし、海軍がリードタイムの遅れや陳腐化の問題を克服するのに役立つ。
軍で実験中の素材は金属だけではない。2015年以来、陸軍工兵隊、工兵研究開発センター、建設工学研究所のエンジニアたちは、建物や橋などの建設規模の構造物を印刷できる技術の開発に取り組んできた。
今年で6年目を迎えるAdditive Constructionプログラムを通じ、コンクリートを印刷できる大型機械を5台以上開発してきた。これまでのところ、ガードシェルターやバリアなどの小規模な建造物に加え、512平方フィートのビル2棟の製作に成功している。この工法は、構造物の強度と安定性を向上させながら、人件費を節約し、計画時間を短縮できる。
積層造形技術は、従来の製造方法の限界による問題も解決できる。2020年発表のジョイントレス船体プロジェクトは、まさにそれを目指している。
アナリストは、ベトナム戦争以降、車両損失の約73％がアンダーボディの爆発によるものと推定している。実際、イラクとアフガニスタンに派遣された米軍兵士の死因のトップがこの種の事故だった。
メーカーは複数部品を溶接して車体を製造しているため、車体下部に継ぎ目があり、こうした弱点が路側爆弾の被害を受けやすくしている。ジョイントレス・ハル・プロジェクトは、アディティブ・テクノロジーを使って継ぎ目のない戦闘用外板を印刷し、車体の弱点をなくす。これにより、地上車両の回復力が向上し、こうした攻撃によるダメージが軽減される。
ジョイントレス・ハル・プロジェクトに取り組むエンジニアは、金属ハイブリッド製造システムを製造しており、うち1つは造形容積がほぼ30x20x12フィートで、ハイブリッド金属3Dプリンターとしては世界最大だ。積層造形技術の柔軟性のおかげで、この機械は大型金属部品の修理など、他の作業も実施可能だ。このため、鋳造のように金型で1つの製品しか製造できない方法に対して、積層造形は大きな優位性を持っている。
幅広い応用が可能な積層造形は、米国のサプライヤーのペース、敏捷性、能力を著しく向上させ、昨今のサプライチェーン難に対する解毒剤となるだろう。しかし、そのためには、製造業者が大規模にアディティブ・マニュファクチャリングを導入する必要がある。
パンデミック以前から、国防総省はサプライチェーンの脆弱性、特に半導体含むマイクロエレクトロニクスの脆弱性に取り組んでいた。COVID-19の蔓延につれ、ロックダウンや労働力不足が発生し、材料や完成品の生産が停止した。製品輸送に労働者が十分確保できないため、納期は遅れた。また、貨物を受け取るスタッフがいないため、船は港を詰まらせた。一方、地政学的な対立は状況を悪化させるばかりだった。
ほとんどの産業部門がそうであるように、防衛産業も影響を受けた。艦艇や航空機の製造に使用する鉄鋼やアルミニウムから、ブレーキやギアなどの小さな部品に至るまで、外国製部品や材料に依存していたこのセクターは、突然持続不可能になった。
航空宇宙産業協会によると、2020年には航空宇宙・防衛部門は87,000人以上の雇用を失ったという。同協会は、こうした損失の64％はサプライチェーン問題が原因で、中小企業がその重荷のほとんどを担っていると推定している。供給不足は、少量多品種部品を専門とする中小サプライヤーに特に大きな打撃を与えた。
しかし、その影響は経済の健全性にとどまらない。国防製造において、インフレを引き起こし、利益を蝕む重要な材料、部品、製品の不足は、国家安全保障問題に発展する可能性がある。
2022年5月、バイデン政権が複数の大手メーカーと提携してAMフォワードを立ち上げたのは、この課題を念頭に置いてのことだった。この多方面にわたるイニシアチブを通じて、政府は付加技術を活用し、国内生産を促進し、サプライチェーンの即応性を高める期待がある。
米国応用科学技術研究機構（ASTRO）が支援するAMフォワードは、米国企業が取引を確保し、設備を購入し、労働者を訓練するのを支援することで、採用までのギャップを埋めるのを支援する。この任意プログラムは、大手メーカーと米国に拠点を置く中小企業とペアリングを行う。参加企業にGEエイビエーション、ハネウェル、ロッキード・マーチン、レイセオン、シーメンス・エナジーが含まれる。
各社は、付加製造部品の一定割合を国内サプライヤーから調達することを約束し、これにより全米の製造現場における付加製造の導入を促進する。また参加企業は大学や高等専門学校向けプログラムや労働力開発など、訓練や教育にもリソースを提供する。
AMフォワードは、もう1つの蔓延する問題にも取り組む。3Dプリンティングの人気が高まっているにもかかわらず、業界に付加製造技術と製品に関する一貫したガイドラインがないままだ。AMフォワードを通じ、米国標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology）による研究は、優先順位の高い新しい標準を開発し配布することで、この状況を変えることを目指しています。
アジャイル、軽快、フレキシブルな積層造形技術の高度な能力は、製造業のあり方を変える可能性がある。ASTRO Americaのデータでは、鍛造や鋳造といった時間のかかる方法の代わりに積層造形技術を使用すれば、部品のリードタイムを90％も短縮できると推定されている。
利点はそれだけではない。一般的に従来の製造方法よりも廃棄物がはるかに少ないこの技術は、材料費を90％削減し、エネルギー消費量を50％削減する可能性がある。
積層造形が生産性を向上させ、コストを削減し、即応態勢を強化できるという明確な証拠があるにもかかわらず、防衛分野における積層造形技術の導入は比較的遅れている。多くのメーカーは、積層造形の大きな可能性を理解し始めたばかりである。サプライチェーンの混乱に最もさらされがちな小規模メーカーが可能性の理解で特に遅れている。
幸いなことに、このコミュニティは成長しつつある。それに伴い、この分野の外で働く人々は、利用可能なリソースをより意識するようになっている。SME（製造業界の専門家の協会）は、付加技術ツールを使用する人々のためのイベント、トレーニング、認定を提供しており、国内製造業者のスキルアップに役立つ可能性がある。
業界として、認識と採用を加速させる取り組みに投資し続けることが極めて重要だ。そうすることで、米国製造業の能力を向上し、イノベーションを先導し、軍を支援するシステムを強化できる。■
7/6/2023
By Larry R. Holmes Jr.
Larry (LJ) R. Holmes Jr. is the executive director of research and engineering at Harrisburg University of Science and Technology, where he leads the development and operation of an Advanced Manufacturing Research Institute. He also serves as the director of government relations at nScrypt in Orlando, Florida, and the chief of manufacturing at the Applied Science and Technology Research Organization of America.
