造船業界は加速のために 3D プリンティングに注目

バージニア州アーリントン — HII のニューポートニューズ造船所の空母建造チームは、2022 年 3 月という重要な期限を迎えていました。

チームは、数百トンの重さがある将来のエンタープライズ用のキールのブロックを乾ドックに移動するのに追われていました。

造船所は、スーパーリフトとして知られるこれらの部品を桟橋の最終組立プラットフォームに装備し、これらの巨大なレゴブロックに配管と配線を取り付け、クレーンで乾ドックの所定の位置に持ち上げます。

しかし、エンタープライズと姉妹船ドリス・ミラーの副社長であるブライアン・フィールズ氏は最近記者団に対し、たった一つのコンポーネントがこの複雑な活動を台無しにする恐れがあると語った。

2021年11月、チームは、フィールズ氏が名前を明かさなかった重要だがデリケートな部品である鋳造金属部品の1つが6月下旬か7月上旬まで入手できないことを知った。

「あの巨大なスーパーリフトを乾ドックに入れる必要があった」と彼は語った。「それは 1 つの部品であり、最終組み立てプラットフォームに取り付ける必要がありました。」

フィールズ氏は、それを待って後から設置することは「非常に危険であり、コストに大きな影響を及ぼしたであろう」と付け加えた。

造船所と海軍は、スケジュールの遅延か追加費用のどちらかを選択するのではなく、協力して部品の設計、認定、3D プリントをわずか 4 か月で行い、3 月のスーパーリフトの期限に間に合わせました。

この状況は異例だったが、海軍とそのサプライヤーは、いつかは時代遅れの鋳造手順ではなく、それがデフォルトになることを期待している。

海軍トップは、空母や水上艦の産業基盤だけでなく、特に潜水艦の産業基盤における課題を繰り返し指摘してきた。サービス側は生産率を上げたいと考えているにもかかわらず、サプライヤーの数は減少している。

例えばバージニア級攻撃型潜水艦の場合、政府が調達率を年2隻から3隻に増やさない唯一の理由は産業基盤への懸念だ。

潜水艦産業基盤問題を監督する戦略潜水艦計画事務局のエグゼクティブディレクター、マット・サーモン氏は、海軍は目新しいものとして積層造形を追求しているのではなく、むしろ「やらなければならないからやっている」と述べた。

これは潜水艦の建造と修理を予定通りに進めるための「道」だ、と同氏は付け加えた。

サーモン氏は1月30日、米国海軍工学会の会議で、産業基盤が重金属部品や構成部品の必要な生産能力を維持するのに最も苦労していると述べた。これらには、鋳造品、鍛造品、バルブ、継手、留め具が含まれます。

実際、海軍は潜水艦や艦船の新規建造やメンテナンスのスケジュールに課題をもたらしている5,500の部品を検討したと同氏は述べた。同氏によると、6つの資材が納期遅れの70％を占めているという。積層造形により、より多くの部品をより迅速かつ確実に建設現場や修理工場に届けることができるでしょう。

基本的な冶金が複雑で欠陥が生じる可能性があるため、これらの部品は常に産業基盤にとっての課題でした。しかし、現在、これらのコンポーネントを製造する企業は過去数十年に比べて減少しており、小規模な企業は需要の増加に対応するのに苦労しています。

海軍は今年、これら6つの材料に関連する金属、印刷機、プロセスを成熟させ、2024年3月までに大量に印刷して潜水艦に搭載できるようにする計画を策定したとサーモン氏は述べた。

海軍海洋システム司令官ビル・ガリニス中将は、防衛ニュース1月12日、NAVSEAはその戦闘センターおよび海軍原子力推進プログラムと協力して、付加製造技術とプロセスに対する海上サービスの理解と快適さを促進していると語った。

「私たちは、積層造形を必要としているように拡張できるほど、そのプロセスが完全に成熟していません。」と彼は言いました。「私たちはワンオフの部品を作ることはできます。率直に言って、原子炉コンポーネントであっても、積層造形を使用してかなり複雑な部品をいくつか構築しましたが、それが拡張可能な点にはまだ到達していません。」

コロンビア級弾道ミサイル潜水艦の建設はすでに始まっており、産業基盤が現在の作業負荷にすでに苦戦しているにもかかわらず、今後数年間で成長が続くだろう。ガリニス氏は、鋳造や鍛造に代わる積層造形は、産業界がコロンビア計画を予定通りに進め、バージニア級計画を軌道に戻すのに役立つと述べた。

「あなたができるようにしたいのは、大量で使用頻度の高い部品を特定することであり、それらをかなり定期的に印刷できる印刷機能を備えていることです。そこには民間産業の要素があり、その一部を実行した」と彼は語った。「私たちの現在の課題は、1 つは認証プロセスを迅速に通過し、それがどのようなものになるかを体系化し、積層造形をスケールできるようにすることです。」

それはまさにフィールズ氏がニューポート・ニューズでやろうとしていることだ。

同氏は、鋳造品は造船所にとって特に厳しいものであり、予定通りに高品質で調達するのに苦労している鋳造金属部品のリストが数多くあると語った。

フィールズ氏によると、同社は金属鋳造を行うことはできるが、従業員が適切な形状に機械加工を開始すると、金属に欠陥がある場合は溶接による修理か、部品全体の再起動が必要になるという。これらの欠陥は必ずしも早い段階で目に見えるとは限らないため、部品の再鋳造は船舶の建造スケジュールにとって望ましくない予期せぬ事態になる可能性があります。

「当社のサプライヤーはいずれも、船舶のスケジュールに合わせて鋳物を納期までに調達するのに苦労している」と同氏は語った。「初回の品質は 3D プリント部品の方がはるかに優れており、コストも大幅に削減されます。」

彼は例として JP-5 マニホールドを使用しました。この部品は、航空母艦の周りでジェット燃料を移動させるのに役立ち、端に製造されたフランジが付いた鋳造金属部品が含まれています。

「それらを適切に作るのは本当に難しい。現在28個持っていて、鋳造されるのを待っているが、鋳造を正しく行うのが難しいため、水を注ぐたびにスプリンクラーに変わってしまう」そして今、溶接修理を行っているところです」とフィールズ氏は語った。「部品を時間通りに船に設置できるように、部品を入手するために費やした時間とお金の例は、3D プリントが本当に大きな変化をもたらしていることを私が実感しているところです。」

サーモン氏は、積層造形により、プリンターの効率に応じて、特定の金属部品の生産スケジュールが平均 80% 短縮される可能性があると述べた。

ワスプ級強襲揚陸艦 USS バターン (LHD 5) 技術部門に配属された消防士ダルトン・ギャレット氏が、3 次元印刷プロジェクトのコンピューター支援草案を作成する、2022 年 11 月 16 日。(MC2 マシュー・ブラウン/アメリカ海軍)

HII は 2017 年に積層造形の専門家 3D Systems と契約を締結し、空母や潜水艦の建造と修理のためのニューポートニューズでの潜在的な印刷機会の探索を支援しました。

3Dシステムズの航空宇宙・防衛担当副社長マイク・シェパード氏はディフェンスニュースに対し、同社は独自の印刷ハブを持っているが、目標はニューポートニューズ造船用の部品を印刷することではなく、むしろ同社が最先端の印刷技術を統合するのを支援することだと語った。そのプロセスに組み込まれます。

3D Systems の特殊な銅ニッケル合金は、現在両社が協力している分野の 1 つです。鋳造や鍛造などの従来の方法では、銅ニッケル部品に欠陥が生じ、生産が遅くなる可能性があります。

3D Systems のダイレクトメタルプリンティングプロセスを使用すると、「従来の鍛造品や鋳造品よりも優れた特性が得られます。[印刷] アプローチでは気孔率の問題がまったくありません。つまり、鋳造品や鋳造品と比べてコスト競争力があるということです」リードタイムははるかに短くなります」とシェパード氏は語った。

シェパード氏は、3D Systemsがニューポート・ニュース印刷社を支援している部品の量は増加していると付け加え、「しかし、私たちは全体的な機会の表面をなぞっているだけだ」と付け加えた。

サーモン海軍海洋システム司令部の海事工学部長ダグ・アーノルド氏にとって、この種の業界連携は産業能力のギャップに新しい技術を適合させるのに役立つが、海軍は厳格な工学基準が確実に適用されるようにする必要がある。

サーモン氏は、航空界と学術界はすでに特定の金属を用いた積層造形に関する多大な研究に投資しており、その場合海軍はかなり迅速に進めることができると述べた。しかし、銅ニッケルや一部の合金鋼など、特に海軍用途に特化した金属では、これらの材料を印刷に使用したときに何が起こるか、特に金属の疲労特性や腐食特性にどのような影響を与えるかについて、さらなる研究が必要です。

アーノルド氏は、海軍とベンダーは、これらの二次および三次特性がそれほど重要ではないコンポーネントの印刷にこれらの材料を使用し始める可能性があると述べた。水にさらされず、腐食がそれほど心配されないコンポーネントには銅ニッケルを使用し、低リスクのコンポーネントを印刷する教訓を学び、研究者が積層造形でこれらの金属を使用する詳細をよりよく理解する時間を稼ぎます。

フィールズ氏は、技術的要件が追加されるため、HII は潜水艦に搭載される部品については特に注意する必要があると述べた。

しかし、海軍とその業界パートナーが現在の潜水艦生産率を継続または増加させたいのであれば、前進する道を見つける必要があると同氏は述べた。

「ダム決壊のプレッシャーの一つは、最後に顧客が『これが必要だ』と叫ぶことだ。したがって、それは加速し始めていると思います」と潜水艦用の印刷部品を考慮するとフィールズ氏は述べた。

ミーガン・エクスタインはディフェンス・ニュースの海戦記者です。彼女は 2009 年以来、米海軍と海兵隊の作戦、調達プログラム、予算に焦点を当てた軍事ニュースを報道してきました。彼女は地理的に 4 つの艦隊から報告を行っており、船から記事を提出しているときが最も幸せです。ミーガンはメリーランド大学の卒業生です。