アディティブ・マニュファクチャリングが大型海洋構造物の柔軟性と効率を向上

高価な専用工具を開発・購入せずに、さまざまな設計の部品を迅速に製作できることが、アディティブ・マニュファクチャリング（AM）が試作で頻繁に用いられる理由です。しかし、材料とプリント技術が向上し続けるにつれ、より多くの企業がAMの速さと汎用性を最終用途部品にも拡張できるようになっています。特に、新設計を迅速に生産できることが強みとなる少量生産やワンオフ用途において顕著です。

最近、2社がコンポジットAM技術が、自律型無人潜水機（AUV）やモーターボートなどの大型海洋構造物のカスタマイズにおいて、いかにイネーブリング・ソリューションとなり得るかを実証しました。

 

大型フォーマット3Dプリントによるカスタマイズ可能なAUV生産

自律型無人潜水機は、ボートとの物理的接続や人間オペレーターからの遠隔操作なしで水中を航行できる無人ロボット車両の一種で、防衛、海洋調査、オフショア調査などさまざまなユースケースでカメラやセンサーを搭載して運用されます。通常、AUVの外殻は一つの大型金属耐圧容器で構成されるか、熱成形プラスチックやコンポジットで製造されます。しかし、どちらの選択肢も専用工具の開発・購入を必要とし、コストが高く、AUV顧客へのカスタマイズの幅を制限します。AUVメーカーのダイブ・テクノロジーズ社（米国マサチューセッツ州クインシー）は、コンポジット3Dプリントが従来製造の多くの制約を解決することを発見しました。

2018年、ダイブ・テクノロジーズの共同創業者ビル・レボ、ジェリー・スゴッボ、サム・ルッソは、長距離航行と大容量ペイロードを求める顧客ニーズに応える新しい高性能AUVの設計・立ち上げのため、独自の会社を設立することを決めました。

彼らとチームが開発したのは、全長19フィート（約5.8m）、直径4フィート（約1.2m）の商用AUV「DIVE-LD」で、水深6,000mまで潜水可能、最大500マイル（約800km）航行可能、最大1立方メートルのペイロードを搭載できます。当初、チームは最終構造に車両外殻として熱成形プラスチックを使用する想定でした。設計検証とテストのため、ダイブ・テクノロジーズはオークリッジ国立研究所（ORNL、米国テネシー州オークリッジ）に3Dプリントによる迅速試作について相談しました。ORNLを通じて、ダイブチームは大型フォーマット・アディティブ・マニュファクチャリング（LFAM）スペシャリストのアディティブ・エンジニアリング・ソリューションズ（AES、米国オハイオ州アクロン）と出会い、AUV船殻形状の製造プロセスで協働を開始しました。

3Dプリントプロトタイプの作業を進める中で、ダイブ・テクノロジーズはLFAMがプロトタイプだけでなく完成部品を迅速に製造する可能性を秘めていることに気づきました。3Dプリントされたプロトタイプ部品が予想以上に部品要件を満たすだけでなく、AMを量産車両に採用すれば工具コストの削減、従来工法より高速な最終製品生産、顧客への新たな高速カスタマイズレベルの実現が可能になるのです。

DIVE-LDの外殻は、AESが保有する4台のシンシナティ・インク社（米国オハイオ州シンシナティ）製Big Area Additive Manufacturing（BAAM）3Dプリンターの1台でプリントされた9本のチューブ状フェアリングで構成されます。これらのフェアリングは、サビック社（サウジアラビア・リヤド）供給の切断繊維充填ABSでプリントされています。AES共同創業者兼VPのアンドリュー・ベイダー氏によると、AESは完全な船殻の全パーツを2日以内でプリントできます。ダイブ社に納品後、3Dプリントされたフェアリングはフェアリングあたり4本のファスナーで機械的に固定され、滑らかな流体力学的外表面を得るためにコーティングされます。2020年の初期テスト成功後、ダイブ社は今春最初の顧客向け車両を製造し、2021年6月に初回納入予定です。

ルッソ氏によると、AMはダイブ・テクノロジーズの将来の車両と製品における価値提案の核心部分となっています。ダイブ社との提携は、AESとコンポジット3Dプリントにとっても大きな一歩です。ベイダー氏は「通常、3Dプリントといえば試作、治具、工具を連想しますが、これは3Dプリントが他に何ができるかを示しています」と付け加えます。

ダイブ・テクノロジーズとAESの詳細については、「大型フォーマット3DプリントがAUVの無金型・迅速生産を可能に」をお読みください。

 

連続繊維AMと自動化による汎用性の高いモーターボート設計

2015年に連続繊維製造（CFM）プロセスを特許取得して以来、モイ・コンポジッツ社（イタリア・ミラノ）は、堆積ベースの連続繊維3DプリントCFM技術のさまざまな用途を探求してきました。CFMの特徴には、モイ・コンポジッツ独自の設計ソフトウェア、ロボットアームの使用、UV硬化、および「ハイブリッド」製造——3Dプリントされた構造コアの上からより従来のコンポジット積層を行う——が含まれます。最近、同社はCFM技術を、よりコスト効率が良く、高速で、より革新的な海洋構造物設計のソリューションとして実証しました。デモンストレーターモーターボート「MAMBO」を通じてです。

モイ・コンポジッツ共同創業者のガブリエレ・ナターレ氏によると、彼と同僚の共同創業者ミケーレ・トニッツォ氏は2017年のジェノバボートショーに出席し、多くのボート船殻で使用されている工具コストと従来のガラス繊維インフュージョンプロセスが、ボート設計者の新しいより複雑な設計探求を制限していることを認識しました。彼らの無金型・連続繊維3Dプリント技術がイネーブリング・ソリューションになり得ることを認識し、「そこから計画を立て、海洋業界のパートナーと会い始めました」とナターレ氏は語ります。

出来上がったMAMBOボートは全長6.5m x 全幅2.5m、乾燥重量約800kg、ナビゲーションシステム、コルクフローリング、白革シート、115馬力エンジンを装備。モイ・コンポジッツは海洋設計エンジニアリングスタジオのMICAD（イタリア・レッチェ）とボートの構造設計コンセプトで協働し、有名なソニー・レヴィによるアルチディアヴォロ・カタマランに着想を得た有機的形状を構造要素に取り入れました。オートデスク社（米国カリフォルニア州サンラファエル）のFusion 360 CADとNETFABBアディティブ・マニュファクチャリングソフトウェアが、コンポーネントの設計と流体力学解析に使用されました。

ボートの船殻とデッキは、オーウェンス・コーニング社（米国オハイオ州トレド）供給の単方向Eガラスとビニルエステル樹脂でプリントされ、サイズの異なる50個の個別セクションで製造される設計でした。半分はモイ・コンポジッツのミラノ施設で、もう半分はパートナーであるオートデスクの先進製造施設（ACF、英国バーミンガム）でプリントされました。両施設でモイ・コンポジッツのCFM 3Dプリント技術とデュアル・クーカロボット（ドイツ・アウクスブルク）が使用されました。オートデスクのアディティブ・マニュファクチャリングチーム研究マネージャー、ドミニク・ミューラー氏によると、オートデスクのテクノロジーセンターのCFMシステムによりボートを迅速にプリントでき、またオートデスクがモイ社の技術をオートデスクソフトウェアでリモート駆動しながらより深く理解することができました。全コンポーネントの総プリント時間は約2ヶ月でした。

プリントされたパーツはイタリア・ミッジャーノのカットマリン造船所に出荷され、組み立てられ接着接合されました。モイ社が義肢や他の部品で使用してきたハイブリッド製造プロセスと同様に、船殻全体が手積層でさらにガラス繊維/ポリエステル層（PVCフォームコア入り）でラミネートされました。ナターレ氏によると、この厚みは構造に沿って変化します。船殻とデッキが完全に組み立てられ、サンディングとゲルコート処理された後、モイ・コンポジッツのパートナーたちが推進、ナビゲーション、その他のシステムを搭載してボートを完成させました。

初期の海上試験と安定性試験は2020年秋に実施され、MAMBOは最大26ノットに達しました。モイ・コンポジッツは2021年夏に向けて認証取得を目指し、海上試験を継続する予定です。

「アディティブ・マニュファクチャリング、デジタル化、自動化は、新しいコンセプトや未来志向のプロジェクトの創出を加速できます。ボートを設計するたびに新しい金型を作る必要があるからです。この技術を使えば、3Dモデルを簡単に修正して再プリントできます。これは特に少量生産やワンオフボートに最適です」とナターレ氏は述べます。

MAMBOの詳細については、「MAMBOが大型海洋構造物3Dプリントの水を試す」をお読みください。