アディティブ製造には大きな可能性があるが、最初の工程はかなり面倒だ。

一層の材料が積み重ねられる前に、まずエンジニアがSolidWorks、Siemens NX、Autodesk Fusion 360といったツールを使ってCADで部品を設計しなければならない。既存の部品をもとに作業する場合でも、ファイルを準備するまでに特殊な訓練を受けたエンジニアが何時間も設計と再設計を繰り返すことになる。

欠けている機能が補修されているか、部品に穴や隙間がなく閉じているか、指定された公差が守られているかを確認する追加のチェックを加えると、一見単純に見えるプロセスが手作業で専門性の高いプロジェクトになってしまう。しかもこの面倒なワークフローは、部品の形状が不規則だったり元の設計ファイルがなかったりするとさらに悪化する。

その後でようやく部品は準備ソフトウェアに送り込まれ、層にスライスされて機械が読み取れる指示に変換される。そしてこの段階でさらに不具合が見つかれば、また設計プロセスに戻さなければならない。

現代の航空機が遂行する任務プロファイルは非常に多様であるため、2つの部品が全く同じ方法で故障することは稀だ。確かにFEAはある程度故障プロファイルを予測できるが、実際の結果は常に異なる。そのため、このプロセスは各部品ごとに個別に行う必要があり、時間と費用が指数的に膨らむ。

ある企業はこのプロセスを再創造し、部品の再構築をより迅速に行えるようにすることで、大規模な産業向け修理に新たな可能性をもたらしている。

モデル化ではなくスキャン

ここで登場するのが、サンディエゴ拠点の金属アディティブ製造企業、FormAlloyだ。部品の設計、修理、製造の在り方を再定義している。

同社はDirected Energy Deposition（DED）技術を活用している。これはレーザーや電子ビームなどの集中的なエネルギー源で材料を溶かしながらノズルを通して供給する手法だ。従来のPLA系3Dプリンターと同じ考え方だが、フィラメントがプラスチックではなく金属だと考えればよい。

AeroXplorerとの対話で、FormAlloyのCEO Melanie Langは同社の技術について、そしてそれが国内の企業の悩みをどのように解消しているかを詳しく語った。

FormAlloyは3種類のDEDシステムを製造しており、ビルドボリュームは300mm x 300mm x 300mm（約1ft x 1ft x 1ft）から2m x 2m x 2m（約6.5ft x 6.5ft x 6.5ft）まである。FormAlloy独自のソフトウェアにより材料は必要な場所に正確に堆積される。しかし同社を際立たせているのは、そこが「どこ」であるかを決める方法だ。

「必ずしも3Dモデルが必要というわけではありません」とLangは説明した。「修理が必要な部品をそのままスキャンして自動的にツールパスを生成し、その表面上に自動で修復を開始できる技術を開発しました。」

擦り切れた部品をエンジニアが逆設計してCADファイルにする代わりに、FormAlloyのシステムは部品を直接スキャンして自動的にツールパスを生成できる。そこから機械が必要な寸法まで材料を堆積して部品を復元するため、手作業でのモデリングは不要だ。

このことの意味は大きい。例えばタービンブレードは交換費用が非常に高く、現在は通常、訓練を受けた技術者が手作業で溶接して公差内に材料を積み上げる方法で修理されている。FormAlloyのソリューションはこのプロセスを自動化する。

Langはこう語った。「多くの場合、修理されている部品は手作業の溶接修理で直されています。誰かが手で溶接して公差に合わせて積み上げようとしている。溶接工が『10層敷く必要がある』とか『20ミリメートル盛る必要がある』とわかっているのと同じように、我々も機械にそれを指示しなければなりません。寸法を教えなければならないのです。」

変動への対応

ライブデモでは、Langがシステムが4本のタービンブレードを処理する様子を見せ、そのうち1本は誤った位置に置かれていた。要点は、システムが均一性を前提にしないということだ。各ブレードは個別にスキャンされ、摩耗パターン、形状、配置などの差異を考慮してそれぞれ独立したツールパスが生成される。

ただしLangは、部品が均一な用途（新しい部品へのコーティング追加など）では、システムが単一のツールパスを配列全体に複製できると述べた。その場合スキャナーは主に位置合わせや特徴検出に使われる。

認証

Langが指摘した技術的に最も微妙な点は、形状は要件のごく一部に過ぎないということだ。重要である一方、もう一つ大きな要素は指定公差を維持することであり、これは強調してもしすぎることはない。実運用で信頼性を発揮できない部品に何の意味があるだろうか。

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Langによれば、この差異こそ多くの修理プロセスが不足している点であり、FormAlloyが競合と一線を画す理由でもある。

「生成している溶融プールの大きさや形状、温度を注視してそれを非常に一貫して保つ必要があります。そうすることで材料特性が一定に保たれるからです」と彼女は説明した。「部品の性能は、作られ方や部品内の温度勾配、冷却速度によって決まります。そうした点を我々は制御して、見た目が同じであるだけでなく性能も同じになることを確保しているのです。」

これに加え、同社のDED Smart Controlによって、FormAlloyの製品で製造された部品は認証を取りやすくなる。実際、このSmart Control技術は認証プロセスに直接使うことができ、温度勾配、ビードサイズ、冷却速度に関する情報を収集して材料特性が元のものと同一であることを確認できる。

新しいワークフロー

FormAlloyは、産業用アディティブ製造業界が何十年も無視してきた重要な論点を提示している。これまではイノベーションの多くが印刷プロセス自体から始まってきたが、モデルが存在しない場合はどうするのか。

部品側から革新を起こし、スキャン→プリントの機能をデータ駆動の部品製造と組み合わせることで、FormAlloyは数日に及ぶワークフローを数時間に圧縮している。

こうしてFormAlloyは、完璧なプリントではなく賢い修復を優先するアディティブ製造の未来へと歩みを進めている。そして長期的な成果を重視する企業にとって、こちらの方がより重要なのだ。