3Dプリントは軍事分野で重要な役割を果たしますか？

はじめに：3D印刷技術は複雑な製品を数時間以内に印刷できるため、これは武器産業の改革に大きな影響を与えました。 2020年の世界の軍事費は約1.83兆米ドル（約11.86兆人民元）と推定されており、この傾向は今後も続くと予想されます。 世界中の防衛部門で必要とされる弾薬、工具、機械部品の増加に伴い、積層造形はこの大規模で複雑なサプライチェーンをサポートする効果的な方法です。

△軍用3D印刷は、防衛産業の時間とお金を節約します。

3D印刷された銃、弾丸、爆弾

銃、弾丸、大砲は、軍事兵器の最も基本的な要素です。 2017年の統計によると、世界の軍隊では約1億3300万丁の銃が流通しており、さらに10万発の大砲が流通しています。さらに、毎年約100億発の弾丸が生産されています。この数字から判断すると、地球上のすべての人が撃たれたとしても、25億近くの弾丸がまだ残っています。銃や大砲が機能するためには、正確で耐久性のある構造が必要です。したがって、砲身、弾丸ケーシング、大砲は、ミリメートル単位で完全に調整する必要があります。さらに、耐熱性の要件を満たしながら、破損や亀裂を防ぐために高い引張強度が必要です。特に弾丸や大砲の砲弾は、安価で丈夫な素材で作る必要があります。



△毎年100億発の弾丸が生産されており、短期的には不足はありません。

TitomicとRepkonは、2021年4月に、オーストラリアに3D印刷施設を建設する契約を締結しました。 Repkonのシリンダー製造の専門知識とTitomicの3D印刷技術を組み合わせて、オーストラリアの防衛製造プロセスを強化します。トルコを拠点とするRepkonは、弾頭、バレル、シェル、ミサイル本体、およびその他の機器の製造のための、熱間紡糸、流動成形、せん断成形などの金属製造技術で4年近くの経験があります。



△防衛産業は、バレルであろうと弾丸であろうと、高効率で完全に校正された円筒形の金属部品に依存しています。 Repkonの画像提供。

Titomicはオーストラリアに本社を置き、コールドスプレーアディティブ製造プロセスで知られています。この技術は、オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）と共同で開発されました。Titomicは、プロセスを商業化する独占的権利を有しており、チタンまたはチタン合金粒子の動的噴霧を足場に適用して、耐荷重構造を作り出すことができます。 。 TitomicKinetic Fusion（TKF）は、加圧ガスを使用して、超音速で基板（ビルドプラットフォームまたは既存の金属部品）に金属粉末を堆積させます。このような速度では、衝突中に放出される高い運動エネルギーが金属粒子を塑性変形させ、非常に緻密な層に結合します。より多くの金属粒子が堆積するにつれて、金属部品の緊密に結合された層が所望の形状を形成し、後処理をほとんど必要としない。 TKFプロセスは、温室効果ガス（GHG）排出量を60％削減しながら、材料損失を90％削減し、飛行に使用できる航空コンポーネントや高性能ロケットコンポーネントなど、航空宇宙および防衛分野で広く使用されています。 。



△TKFは、レーザーなどの熱源を使用せずに粉末形状を溶かす「コールドスプレー」積層造形プロセスです。必要なエネルギーは、加圧ガスの運動エネルギーから得られます。 Titomicの画像提供。

TKFの施工速度は非常に速く、TKF9000の施工速度は1時間あたり75kgで、最大容積9m×3m×1.5mの部品を製造できます。製品は引張強度が高く、気孔率は0.3％です。チトミックプリンターは、チタン、銅、鋼、ニッケル、インコネル718、インバー36など、さまざまな金属および合金の粉末を使用しています。



△TKF9000超大型産業用3Dプリンター。 Titomicの画像提供。

Titomicは、TKFを通じて、さまざまな金属を融合する方法を開発しました。たとえば、最初にチタン層を印刷し、次にニッケルや鋼などの他の金属層を印刷して、すべての金属を利用するマルチメタルコンポーネントを作成します。 TKFは、さまざまな比率で混合され、印刷プロセス中に溶融される異種合金を製造することもできます。このプロセスでは、ポリマー、プラスチック、セラミックの工具を金属化して耐久性を向上させ、タイムリーかつ費用効果の高い方法で部品により多くの機能を提供できます。多金属溶融、異種合金、メタライゼーションのいずれであっても、軍事分野（砲弾や砲身から装甲や機械部品まで）に適用できます。



△TKFは、異なる金属を使用して単一のコンポーネントを印刷できます。この部品には、純チタン部品、チタンと銅の異種合金部品、およびニッケル超合金部品があります。 Titomicの画像提供。

2020年2月、Titomicは、世界的な防衛メーカーであるコンポジットテックと2250万オーストラリアドル（約1億1000万元）の契約を締結し、積層造形技術を使用してNATO防衛製品を提供しました。取引の一環として、2台のTKFプリンターがCompositeTechに提供されます。

コールドスプレープロセスの他の軍事用途

軍が必要とする重要な装備は、銃、弾丸、大砲だけではありません。機械部品、車両部品、建設工具、その他の機器も軍隊にとって不可欠です。したがって、ダウンタイム、後方支援のエラーと遅延、および交換または保守のコストは、軍にとって深刻な損害です。軍事任務の時間的敏感さを考慮して、さまざまな防衛部門が戦場と積層造形を組み合わせる可能性を探求し始めました。たとえば、米海軍はすでにゼロックスから3Dプリント機の部品を船で使用しており、ダウンタイムを削減し、高生産を維持しています。



△米海軍艦隊海図。巨大なモバイルフリートの新しい部品の取り付けや部品の交換は、コストがかかりすぎるだけでなく、貴重な時間を無駄にします。 NavalGraphicsの画像提供。

Titomicのような別のオーストラリアの積層造形会社SPEE3Dは、空気室を使用してマッハ3（約3675 km / h）の速度で金属粉末を噴霧し、金属を塑性変形させて緻密な層にします。このコールドスプレープロセスは「超音速3Dデポジション」と呼ばれます。この方法で印刷されたすべての部品は耐久性があり手頃な価格で、1キログラムあたり40〜100米ドル（約259〜648 RMB）のコストがかかります。 SPEE3Dプリンターは、主に銅、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム青銅を使用しており、多くの軍事用途に必要な引張強度、費用対効果、耐食性を備えています。



△WarpSPEE3D戦場試験は12か月間続き、輸送、荷積みと荷降ろし、さまざまな地形での緊急展開と停止、砂嵐などの過酷な環境への暴露の能力を評価します。 SPEE3Dによって提供された画像。

2020年6月、オーストラリア陸軍とSPEE3Dは、3DプリンターWarpSPEE3Dの一連の戦場テストを管理するために150万米ドル（約972万元）のパートナーシップに達しました。プリンタのビルド速度は毎分100グラムで、最大40キログラムのオブジェクトを印刷できます。 2か月後、オーストラリア陸軍は敵対的なノーザンテリトリー（NT）に金属製の3Dプリンターを再配備しました。アップグレードされたマシンを使用して、兵士は最大37°Cの蒸し暑い温度で3Dプリント端末使用部品を使用できます。



△テスト中、オーストラリア陸軍の第1戦闘サービス支援大隊の兵士グループが3Dプリンターを操作しました。写真はSPEE3Dからのものです。

2021年4月、SPEE3Dは3D印刷技術とゲーム制作を組み合わせ、エンドツーエンドの金属製造シミュレーターSPEE3DCraftをリリースしました。ゲーム開発者は、SPEE3D高速金属3D印刷技術のプロセスを仮想アプリケーションに統合しました。シミュレーターは、オーストラリアのアウトバック（シミュレートされた戦場テスト環境）を含む、SPEE3Dテクノロジーを使用した実際の場所も示します。



△SPEE3DCraft

その他の軍事3D印刷アプリケーション

アディティブマニュファクチャリングの適用範囲は、印刷ツールや機械部品などの基本的な機能をすでに超えています。 3D印刷ソフトウェアがますます複雑になるにつれて、複雑な部品の設計と印刷は、これまで不可能だった革新への道を開きます。たとえば、米陸軍が使用する暗視ゴーグルの標準設計には、ゴーグルをオンまたはオフにするためのセレクタースイッチがあります。損傷した場合、部品を交換することはできず、暗視装置全体を廃棄する必要があります。アディティブマニュファクチャリングにより、米陸軍はスイッチをより複雑で耐久性のある方法で再設計し、暗視ゴーグルのライフサイクルを延長するだけでなく、部品を簡単に製造および交換できるようにします。



△ブラックホークヘリコプター

機械全体の耐用年数を延ばすために、2020年10月、ウィチタ州立大学（WSU）の研究者は、ブラックホーク解体プロジェクトに関する米陸軍との協力を発表しました。分解とは、大型の機械（車両など）を最小の部品や記録に分解することです。この場合、研究者はブラックホークの20,000個のコンポーネントを記録するだけでなく、パーツのデジタルモデルも作成します。現在、ブラックホークは4年近く米軍に勤務してきました。3Dプリントにより、ブラックホークは排除されることなく長期間勤務することができます。



△ContinuousCompositesカーボンファイバーウィングスパーの構造性能は、設計限界荷重の160％に達することが証明されました

時が経つにつれ、多くの軍事機器の生産ラインが廃止されてきましたが、それでも使用できる機器では、交換部品が問題になります。したがって、積層造形は、交換部品を低コストで再製造するための優れた方法です。このプロセスでは、一部のコンポーネントを再設計してパフォーマンスを向上させることができます。また、積層造形を使用すると、長い間製造が中止されていた機器を再利用することもできます。たとえば、米国のContinuous Compositesによって開発された連続繊維印刷技術CF3Dは、空軍および航空会社の翼を印刷するために米国空軍によって支持されています。この目的のために、米国国防総省の中小企業革新研究（SBIR）の75万米ドル（約486万元）の二次契約も獲得しました。



△米国応用科学技術研究機構の3Dプリンティングは、極超音速航空機および極超音速ミサイル部品を製造するための極超音速生産加速器施設を開発しました。

武器の製造と機械のメンテナンスに加えて、米国政府は3D印刷技術の研究に積極的に資金を提供しています。米国が主導的地位を維持できるように、新しい技術、材料カテゴリー、プロセスが根本的に開発されることが期待されています。 Astro Americaは、積層造形技術（3D印刷）を使用して、極超音速航空機および極超音速ミサイル部品を製造するための極超音速生産加速器施設（HPAF）を開発する予定です。



△BotFactory電子3Dプリンター設計図

さらに、米軍はさまざまな3D印刷およびソフトウェア分野の開発についても非常に懸念しています。ビジュアルフィードバック制御によって駆動される3D印刷プラットフォームと、Inkbitによって開発されたBotFactoryの電子3Dプリンターの両方が、次世代の軍用積層造形に新しい可能性を提供します。 2021年3月、クレムソン大学と米国陸軍研究所（ARL）は協力して、将来の地上車両、空中プラットフォーム、および弾薬用の新しい3Dプリントコンポーネントを加速しました。彼らは、人工知能を備えた「デジタルライフサイクルプラットフォーム」を作成し、エンジニアが多機能の大きくて複雑な幾何学的部品を設計、分析、製造するためのより迅速かつ安価な生産を支援します。プラットフォームが構築されると、エンジニアは実際に構築することなく、新しい印刷コンポーネントを設計およびテストできます。



△SIMBAは、ブロックチェーンでサポートされる3Dプリントモバイルデバイスの開発に対して、米国空軍から助成金を受け取りました。 SIMBAの画像提供。

デジタル軍事3D印刷技術も重要なプロジェクトです。 Senvolは、2021年3月に米国海軍と空軍からより多くの資金を受け取り、積層造形機械学習ソフトウェアSenvolMLの機能をさらに開発しました。データベースもこの会社のハイライトです。その他の関連する3D印刷データベースには、3DegreesのtraceAMプラットフォームが含まれます。さらに、通信の観点から、米軍はブロックチェーン3D印刷技術を戦場に投入することも可能にします。ブロックチェーンイノベーターのSimpleBlockchain Applications（SIMBA）は、2021年4月14日に米国中小企業革新研究（SBIR）の資金提供の第1フェーズを受け取り、米国空軍が複雑な3D印刷技術を製造、テスト、展開できるようにすることを約束しています。世界中の最前線の位置と基地にある航空機部品とその他の武器。将来的には、軍用3D印刷の分野に、より多くの新しい技術が組み込まれると思います。しばらくお待ちください。

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