バージニア州ダンビル — ここバージニア州サウスサイドの田舎にある、ほとんど空いている工業団地に、ガラス張りのファサードを持つ新しい建物が建っている。

内部には蒸気、煙、すすはありません。 火花も飛びません。 熱い金属は注がれません。 金床にハンマーが当たる音も響きません。

むしろ真っ白です。 白い床、白い壁、小さな金属部品を印刷して仕上げる際にホワイトノイズを発生する白い機械。 従来の大量生産工場とは大きく異なります。 潜水艦のコンポーネント。

しかし、米海軍関係者らは、この建物、積層造形センター・オブ・エクセレンスは潜水艦産業の未来を象徴しており、おそらくコロンビア級弾道ミサイル潜水艦とバージニア級攻撃型潜水艦を期限内に建造するための唯一の道であると述べている。

海軍はすでに積層造形を利用して、海上の艦船に回路カバーや無線ノブなどの小さな修理部品を印刷しているが、これらの部品は配備中にアクセスするのが難しく高価となる。 しかし、来年までに米国の潜水艦産業基地の仕事量が過去40年間で最高レベルに達する中、海軍は新建造潜水艦に搭載する標準部品として金属部品を3Dプリントする予定だ。

これまでの小規模な積層造形の利用と、今後予想されるこの技術への広範囲にわたる依存との間の大きなギャップを埋めるために、海軍は金属積層造形を成熟させるための一連の活動を委託しており、バージニア州ダンビルはその中心となっている。努力。

そこにある積層造形センター オブ エクセレンスは、企業が金属積層造形に取り組むのを支援することで、潜水艦部品のサプライ チェーンの拡大を目指しています。

海軍にはこの技術を実用化するよう圧力がかかっている。 すでにサービスが 拡大と強化に2.3億ドルを費やした 海底産業基地はさらに数十億ドルを支出する用意があり、積層造形はこの支出の XNUMX つの重点分野の XNUMX つです。

海軍とその産業基盤が今後XNUMX年間、毎年コロンビア級潜水艦とバージニア級潜水艦XNUMX隻の建造を増強する可能性があるとすれば、「製造能力が不可欠だ」と海軍の事務局長マット・サーモン氏は語った。戦略潜水艦プログラム事務局。

専門家らによると、この計画にはリスクがないわけではない。

「進歩は進んでいますが、『この部品をこの材料で作れば、必要なものが得られる』と言えるような、ボタンを押すだけの技術ではまだありません」と米国標準協会を率いるケビン・ジュレンズ氏は述べた。そしてテクノロジーのスマート製造への取り組み。

挑戦の深さ

海軍は、1980年代以来見られなかった潜水艦の建造率を達成しようとしている。弾道ミサイル潜水艦艦隊を置き換えると同時に、攻撃型潜水艦艦隊を拡大しているが、現在では海軍に必要な規模の75％に過ぎない。

しかし、これらの潜水艦に貢献する企業の産業基盤は70年代以降、約1980万17,000社のサプライヤーから5,000社にXNUMX％以上縮小した。 そして、ワークロードの増加は比較的急速に起こっています。

つい最近の 2013 年には、海軍は毎年 2026 隻のバージニア潜水艦の建造を開始していました。 海軍は、潜水艦の複雑さを考慮して、XNUMX年度からその作業をXNUMX回（毎年バージニアXNUMX隻とはるかに大きなコロンビアXNUMX隻）実施する予定だ。

バージニア潜水艦を年に 19 隻に増やしたことでさえ、建設ラインのマイルストーンを達成できず、現在、一部のボートは新型コロナウイルス感染症のパンデミックのせいで予定より 2028 年以上遅れています。 関連する物流と労働力の問題が遅延をさらに悪化させた。 海軍は現在、XNUMX年度までに予定通りの納品に戻ると見込んでいる。

しかし同局は、優先度の高いコロンビア潜水艦が予定より遅れるわけにはいかないとしている。

戦略潜水艦プログラム担当責任者であり、潜水艦産業基地プログラム全体も監督するスコット・パッパーノ少将は、海軍は困難な戦いに直面していると述べた。 全体の作業量は XNUMX 倍になりますが、サプライチェーンのすでに弱点となっている鋳物などの一部の部門では実際には XNUMX 倍の増加となります。

鋳造、つまり高温の金属を型に流し込む作業は、最も困難な分野の XNUMX つであり、金属積層造形で補うことができる分野です。

「私たちは制約のある市場セクターがどこにあるかを知っています」とパッパーノ氏は語った。

海軍の潜水艦産業基地プログラム責任者のホイットニー・ジョーンズ氏は、業界が潜水艦建造率のピークに達すると、特定の金属部品の需要が最大6.4倍増加することが内部モデルで示されていると述べた。

産業基盤はすでにこれらの金属部品の製造を後押ししています。現在、いわゆる順序が重要な材料部品が 100 個以上あります。これらの部品が入手できないと建設が延期されることを意味します。これらの部品の納期は平均で 300 日以上遅れていますが、 3D プリントの対象となります。

これらの部品を鋳造する代わりに印刷すれば、各部品の製造時間が短縮され、より多くの企業が同時に製造できるようになり、サプライヤーと造船所の両方のレベルでの遅延が軽減または解消されます。

ジョーンズ氏は、金属積層造形により、これらの金属部品の生産能力が15～20年で90～XNUMX％増加すると同時に、品質が向上し、生産時間がXNUMX％も短縮される可能性があると述べた。

プラスチック 3D プリントと同様、金属部品をプリントするにはいくつかの方法があります。 最も一般的で成熟したものは、レーザー ビームを使用して金属粉末を溶かし、デジタル モデルに基づいて層ごとに目的の形状を作成します。

パッパーノ氏は、3Dプリンティングは正しいアプローチだと述べた。

「私は熱い金属を取り出し、それを砂の中に注ぎます」と彼は伝統的な鋳物について語った。 「とても中世っぽいですね。」

しかし、積層造形を使用すると、「溶接池の温度と溶着速度を制御できます。 …その堆積物を監視し、製造中に不一致を探すことができ、最終的にはその品質を証明するために非破壊検査または破壊検査を行うことができます。

パーツの印刷方法

海軍はXNUMX月、オハイオ級弾道ミサイル潜水艦ケンタッキーに新しい換気ディフューザーを設置した。 この何の変哲もない部品 (空気の流れを導く金属製の通気口カバー) は、潜水艦に初めて搭載される印刷された金属部品の目印となりました。

ごく最近では、海軍はワシントン州バンゴーの補給廠のメンテナンスを行う別の弾道ミサイル潜水艦の衛生システムバルブの 3D プリントに注目しました。 元のメーカーが廃業し、従来の供給システムで同様の部品を入手するには XNUMX 年かかったでしょう。

代わりに海軍は既存のバルブを入手し、レーザースキャンし、コンピューター支援設計システムで部品をリバースエンジニアリングし、さまざまな方法でプロトタイプを印刷してテストし、最終的な機械加工と取り付けのために最終部品をワシントンに送り返しました。

この部品の納期は 2025 年 2023 月ではなく、XNUMX 年 XNUMX 月の設置に向けて準備が整いました。

しかし当局者らは、海軍はこうした単発的な取り組みを超えて、印刷部品を設計、認定し、潜水艦に取り付ける作業を拡大する必要があると述べている。

サーモン氏は、一部のサプライヤーがこの技術を使用しているのを見て、彼のオフィスが積層造形の検討を始めたとディフェンスニュースに語った。 同事務所は過去 15 年間、小規模な実験を行ってきましたが、「[積層造形] によって金属成形製造業の基盤が 20[%] または XNUMX% 増加する可能性があるだけでなく、必ず増加するはずであると確信しました。鋳物や鍛造品を考えてください。」 、フィッティング、ファスナー。」

同事務所は現在、潜水艦の建造に必要な15,000から20,000の個々の部品を占める75つの特定の金属に焦点を当てている。 この部品リストには、遅延やその他の課題が発生しやすい新築および稼働中の維持用の部品の 50% が含まれています。 実際、これらの金属のうち XNUMX つだけで、新しい潜水艦建造を悩ませる鋳造遅延の XNUMX% を占めています。

ダンビルでの取り組みとは別に、ニューポート ニューズ造船所は最近、付加製造の専門家である AMMCON Corp. と協力して、バージニア級攻撃艦オクラホマ潜水艦およびその後の生産ラインに設置するための銅ニッケル甲板排水管を設計および印刷することを発表しました。印刷部品をサプライチェーンの標準品目として組み込み始めることを表します。 銅ニッケルは海軍が取り組んでいる主要な合金の XNUMX つです。

海軍は、バルブ、換気ディフューザー、排水カバーなど、これらのリスクの低い部品を簡単に実現できる成果とみなしています。 サーモン氏は、20Dプリンティングの対象となっている部品の約3％はリスクが低いと考えられており、今日生産される可能性があると指摘した。

しかしパッパーノ氏は、海軍は並行して、船体の完全性に関連する部品、核関連部品、その他の重要な部品を印刷できるように技術を成熟させる必要があると述べた。

オンデマンド印刷

金属製造の生産量を大幅に拡大するために、海軍はバージニア州および付加製造センター・オブ・エクセレンスの業界パートナーと協力して、印刷パートナーのネットワークと作業負荷を管理するデジタル注文帳を構築しています。

まず、チームは部品を印刷するための技術データ パッケージ、つまり「レシピ」を構築します。 チームメンバーは、最高の部品を作るためのプリンター、プロセス、金属合金の組み合わせを完成させるために、プロトタイプを構築、テスト、破壊します。 その種類の部品に最適な印刷プロセスを決定したら、技術データ パッケージを完成させ、海軍に認証を求めます。

現在までに海軍は、さまざまなバルブ、ブラケット、ハンドル、アダプターなどを含む 28 個の部品のレシピを承認しています。

ダンビルの施設ではそれらの部品を大量生産するつもりはない。 代わりに、彼らは成長する建設業者のネットワークに引き出されるでしょう。

海軍のアディティブ・マニュファクチャリング・センター・オブ・エクセレンスを率いるオースタルUSAアドバンスト・テクノロジーズのゼネラルマネジャー、ドン・ヘアストン氏は、XNUMX社が自社の施設、機械、従業員がこのネットワークの一員として認定されるまでに広範なプロセスを経たと述べた。 次の四半期にはさらに XNUMX 社が「アクティベート」される、つまりネットワークへの参加が認定される予定で、残り XNUMX 社が準備中です。

最終的にヘアストン氏はディフェンスニュースに対し、海軍は新型潜水艦建造用の金属部品を印刷する米国内の50か所以上の拠点のネットワークを構想していると語った。 英国とオーストラリアでも、 三国間AUKUS協定、 彼が追加した。

ヘアストン氏は、同センターがデジタル注文簿と呼んでいるものは、部品の注文プロセスを自動化すると述べた。 たとえば、海軍が 200 個の 3/8 インチ ボール バルブを発注した場合、エクセレンスの中心にいるヘアストン氏のチームは、ネットワーク内のどのベンダーがそのバルブのレシピに適した印刷プロセスと金属を持っているかを確認できるようになります。 チームは、資格のあるベンダーの中で、誰がその仕事に適任であるかを確認することもできます。

ヘアストン氏は、デジタル注文書は進行中の作業だが、2024年末までに稼働させる予定であると述べた。その時までに、海軍はネットワーク内に15の印刷パートナーと、承認された技術を備えた部品を少なくとも150～200個持つ必要がある。データパッケージだ、と彼は指摘した。

時間との戦い

海軍の潜水艦産業基地プログラムのディレクターであるジョーンズ氏によると、海軍はできるだけ早くこれらの部品の大量印刷を開始する必要があるという。

「年間にコロンビア大学XNUMX校、バージニア大学XNUMX校に行く必要があるまであとXNUMX年となっており、ある程度の共通リスクを想定した大胆な行動をとらなければ、そこにいる必要があるときにそこに到達することはできないだろう」そしてそれは全く異なる種類のリスクをもたらします」と彼女は言いました。

しかし技術専門家らは、特に潜水艦の作業に伴う高い基準を考慮すると、この技術はまだ十分ではないと主張している。 NIST 事務所が高度な製造技術の品質保証の取り組みを指導する基準を開発しているジュレンス氏は、積層造形の資格と認証が依然として大きな障壁となっていると述べた。

現在、積層造形企業は材料、プロセス、機械、オペレーターを認定し、その後最終部品を認定する必要があると同氏は説明した。 新しい従業員がプリンターを使用するなど、何らかの変更があった場合は、認定プロセスが再開されます。

「その適格なステップに到達するには、非常に時間がかかり、非常に労働集約的です」とジュレンス氏は言う。 「シミュレーションやその他の技術を通じて迅速な認定を行うため、それらの機能は向上していますが、エンドユーザーや利害関係者が信頼したいと思うレベルには達していません。」

最終パートの品質の確保に関しても疑問があります。

研究開発非営利団体EWIの積層造形シニアテクノロジーリーダー、ロン・アマン氏は、鋳造金属部品の欠陥を見つけて修正するための承認されたプロセスはあるが、印刷部品の欠陥を発見して修正する方法については依然として懸念と混乱があると述べた。

印刷プロセスを監視し、リアルタイムで欠陥を特定するためにカメラ、センサー、マイクを設置する傾向が高まっており、海軍もその優秀さの中心として使用しています。

「私たちは、XNUMX つの部品を作って、（破壊テストで）XNUMX つを壊して、『ああ、もう XNUMX つは大丈夫だと思います』と言いたくないのです。 私たちがやりたいのは、ある部品を作りたいということです。私たちがやっていることを注意深く観察して自信を持って、プロセス信号から学んだことを使って検査基準を知らせたいのです」とアマン氏は語った。

カーネギーメロン大学製造先物研究所のエグゼクティブディレクター、サンドラ・デビンセント・ウルフ氏はこれに取り組んでいる。 彼女の研究室の機械には、高速および低速カメラ、熱画像、溶融プールの画像、金属スパッタの画像、音響モニタリングなどのセンサーが装備されています。

これらはすべて欠陥の兆候を検出し、状況に応じて印刷が停止され、オペレーターが最初からやり直すか、後の検査と修理のために欠陥が記録される可能性があります。

彼女は、目標は、最終的にすべての項目がテストを必要とするわけではないという点に到達することであると述べた。 監視システムに対する信頼が高まっているため、最終的に品質検査を受けるのはおそらく 10 人に 100 人だけであり、最終的には XNUMX 人に XNUMX 人になるだろうと Wolf 氏は付け加えました。

もう XNUMX つの重要な技術的ハードルは、海軍が使用するプリンターの種類に関係しています。 センター・オブ・エクセレンスの主要パートナーのXNUMXつであるフィリップス社のグローバル・アディティブ・ワーク担当シニアバイスプレジデントであるジョン・ハリソン氏は、最も成熟し信頼されている印刷プロセスのXNUMXつであるパウダーベッドフュージョンでは、より小さな部品しか製造できないと述べた。

ワイヤーアーク指向性エネルギー堆積、レーザー指向性エネルギー堆積、摩擦撹拌積層造形などの他の技術でもより大きな部品を製造できるが、これらの技術は新しいため、最終製品の品質に関するデータが少ないことを意味すると同氏は述べた。

PEO戦略潜水艦の説教では、同氏の事務所が、XNUMX年前ですら印刷不可能と考えられていた非常に大きな部品、つまり船体の完全性に関わる重要な部分を印刷する「ムーンショット」の取り組みに取り組んでいると述べた。 これらの大きな印刷物のテスト結果に基づいて、海軍は新しい方法を使用して大きなコンポーネントを印刷できるかどうかを判断します。

業界の参加を促す

積層造形を通じて金属製造能力を拡大するという海軍の計画は、産業界が海底産業基地向けの印刷を開始しなければ機能しない。

Josh Cramer 氏、教育および労働力開発担当ディレクター 国防総省傘下の官民パートナーシップ「アメリカ・メイクス」は、積層造形の労働力が50,000万人不足しており、これらの労働者の需要は今後数年で増加すると述べた。

「こうした役割に就くための訓練さえ行うのに十分な人材が不足しているため、業界全体にもっと多くの人を呼び込む必要がある」と同氏は語った。

America Makes は、積層造形セクター内で利用可能な仕事だけでなく、それぞれの仕事に必要なトレーニングと教育、そしてその仕事に就く場所についても、潜在的な労働者に知らせるための支援キャンペーンに取り組んでいます。

すでに最も有名な造船所の一部は積層造形に移行しています。

ゼネラル・ダイナミクス・エレクトリック・ボートの広報担当ダニエル・マクファーデン氏は、同造船所が「潜水艦産業基盤に参入し、製品ラインにとって合理的な場合に既存のサプライヤーとの（付加的）能力を構築する、新しい専門的な積層造形サプライヤー」の採用に取り組んでいると述べた。

同社は、3D プリンティングの承認された手順とテストを定義する継続的な取り組みに貢献して、サプライチェーンでのプリント部品、特に希少性と長いリードタイムが生産の制限要因となっている重要な部品に目を向けることに貢献したいと考えています。 」

America Makes のエグゼクティブディレクター、ジョン・ウィルチンスキー氏は、同団体は 3D プリンティングのエコシステムの拡大にも努めていると述べた。 ウィルチンスキー氏は、プリンターやスタッフのトレーニング、新入社員への投資には初期費用がかかるが、今後数年間で潜水艦の建設作業量が膨大になるため、投資が回収できるかどうか疑問に思っている企業に明確な需要シグナルを生み出すと述べた。 。

同氏は、バージニア級潜水艦とコロンビア級潜水艦の生産率に言及し、「現時点では２プラス１の物語を避けることはできない」と述べた。 「これが国防上の重大なリスクであることは、誰の目にも明らかだ。 そこには力がある。なぜなら、次にビジネスをどこに進めるかを決めようとしている人々にとって、それがより目に見えやすくなっているからである。」

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• 情報源： https://www.defensenews.com/industry/techwatch/2023/11/06/manufacturing-woes-could-sink-us-sub-fleet-can-3d-printing-save-it/