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“印刷”ボタンを押すだけ:3Dプリント自動販売機を作るGEの試み

生物医学の研究者が新薬開発をするとき、1度に何百種類もの化学物質を検討し、ほんの少しずつ異なる分子の組み合わせが特定疾患にどの程度効くかを調べます。この手法は、“コンビナトリアル・ケミストリー(組み合わせの化学)”と呼ばれています。

GEの科学者たちは今、これと同様の手法を、3Dプリント技術をはじめとするアディティブ・マニュファクチャリング(積層造形)に応用しています。さまざまな材料の組み合わせを微調整・テストすることで、造形する部品に最良の特性を持たせようとしているのです。ニューヨーク州にあるGEグローバル・リサーチ本部で働くアディティブ・マテリアル・ラボのエンジニアたちは、このアプローチを用いることで、合金づくりの初期段階における反復作業にかかる負荷を軽減しています。目指すのは、新しい合金のレパートリーを増やし、ひいては3Dプリント機で製造できる製品を多様化させること。

「より大きくて複雑な部品を造形できる新しい機械技術ももちろん必要ですが、根本的にマシンが対応可能な材料の幅を広げることも重要なんです。今はマシンのボキャブラリーを増やしているようなものです」――アディティブ・マテリアル・ラボを率いるジョー・ヴィンシクエラはこう話します。

これは、GEにとっては非常にタイムリーなプロジェクト。GEは昨年、10億ドル以上を投じて、産業用3Dプリンターで業界をリードする2つのメーカー、スウェーデンのアーカム社とドイツのコンセプト・レーザー社の株式の過半数を取得しました。コンセプト・レーザー社のマシンは金属粉末の薄層を溶融して部材を造形する3Dプリンターです。一方、アーカム社のマシンはさらに強力な電子ビームプリンターで、スチールより50%軽い反面、成形が極めて難しいチタン酸アルミニウム(TiAl)のような驚くべき新材料(俗に言うワンダーマテリアル)から部品を積層することもできます。イタリアのカーメリにあるアディティブ・ファクトリーでは、GEアビエーションがボーイング社の次世代ワイドボディ機向けに開発中の世界最大のジェットエンジン、GE9XのTiAl製タービンブレードをすでに製造しています(下の動画で詳細をご覧いただけます)。

ヴィンシクエラの目標は、セラミックマトリックス複合材料(CMC)や炭素繊維、さらにはシリーパテ(スライムに似たシリコン製のおもちゃ)まで開発してきたGEがもつ材料科学に対する深い知見を活用して、3Dプリント材料に関する独自のレシピ本を開発すること。現時点では、最新鋭の3Dプリンターでさえ8年もかけて開発した、非常に特殊な金属配合の限られた材料しか使用できません。厳しい工業規格を満たす必要があるからです。アディティブ・マテリアル・ラボの材料科学者、ローラ・ダイアルも「私たちの研究では、ジェットエンジンのような複雑なシステムに使われる金属部品の性能と耐久性を把握する必要があります。こうした応用の場合、強度や耐熱性、亀裂抵抗などの要素が非常に重視されるからです」と話します。

金属3Dプリンターは通常、レーザーかその他の高エネルギーのビームによって金属粉末の薄層を溶融結合して部品を造形します。プリンターは部品のサイズによって、1個~数十個の部品を同時に製造することができます。

3Dプリンターは設計者に自由度や柔軟性を提供してくれるもので、かつては不可能だった「CADで描いた図面からそのまま直接、造形する」ということを可能にします。しかしながら、現在使用できる材料だけでは、造形した部品の用途が限定的であるのも事実です。

最上部と上部の写真:ラボの研究者が試行錯誤を重ねた800種類以上の
材料プロセスの組み合わせに基づいて造形した積層部品のサンプルプレート
製薬業界における新薬開発のアプローチと似た手法で
アディティブ・テクノロジーに関するGEの新材料開発を劇的に加速させている
(写真:GEグローバル・リサーチ)

ダイアルと彼女の同僚は、800通り以上の合金と製造プロセスとの相性を研究しています。つまり、異なる3Dプリンターごとに800通りの中からそれぞれに最も適した合金を選べるようにすることで、さまざまな製品を作れるようにするというもの。すでに、GEアビエーション、GEパワー、オイル&ガス事業を手がけるベーカー・ヒューズGEは、燃料ノズルやその他の部材を3Dプリンターで製造しています。しかし、彼女のチームが見いだしたアイデアは、GEが昨年立ち上げた新事業部門、GEアディティブで特に役立つはずです。

GEが傘下に収めたコンセプト・レーザー社とアーカム社のマシンは、すでに医療用インプラントやその他ハイテク部品を製造していて、GEはその他の用途にも幅広く応用できるとみています。ヴィンシクエラは、「目標は3Dプリンターを『宇宙家族ジェットソン(SFファミリーコメディ)』がうらやむような最新マシンに変えること。医療用インプラントから女性が身につけるアクセサリーまで、人が想像できるあらゆるものを“印刷”ボタンひとつで作れる世界に思いを巡らせています」と話します。

新設から1年ちょっと経過したラボでは、特定の部品を製造する必要があるときにマシンがいつでも情報を引き出せる材料レシピを盛り込んだデータベースを開発中です。ヴィンシクエラはこう言います。「方向性を誤ることなく、今後も継続的にGEストア(GEが事業部門を跨いで知見を共有し活用する仕組み)のパワーを活かして材料とマシン技術をデジタルに融合していくこと。そうすれば、世界で通用する部品を、誰もが必要なときに必要なだけ3Dプリンターで製造できる時代が来るでしょう。つまり、新型の自動販売機のようなものを作れるはずですよ」