音響モニタリング – レーザー基盤付加製造の商業化の鍵となるか？

付加製造市場は拡大しています。業界調査の推計によると、2020年に評価額71億7,000万ユーロだった世界の金属およびポリマー付加製造市場は、2026年までに192億3,000万ユーロに拡大すると予測されています。この成長軌道は、6年間でほぼ3倍になることを示唆しています。

さまざまな産業が付加製造を活用して生産目標を達成しています。特に、航空宇宙、タービン、ヘリコプター分野が主導し、最大のシェアを占めていると報告されています。その次に医療産業での採用が顕著です。

市場規模の拡大と適用範囲の拡大に伴い、付加製造は形態と適用性の両面で大きく多様化しています。その中で注目すべき発展がレーザー基盤付加製造です。以下のセクションでは、その商業的可能性と、音響モニタリングが成功的な応用に果たす重要な役割について掘り下げます。

しかし、これらの側面を深く探る前に、まずレーザー基盤付加製造が実際に何を指すのかを理解することが重要です。

レーザー基盤付加製造とは何か？

MITスローン・スクール・オブ・マネジメントは、付加製造を「オブジェクトを一層ずつ構築して作成するプロセス」と定義しています。これは、素材の固体ブロックを削り取って最終製品を完成させる減算製造とは逆の手法です。

定義どおりに考えると、付加製造は何らかのものを積み上げて製品を作るプロセス全般を指すかもしれません。しかし、実務上は三次元印刷を指します。

3D印刷の歴史を見ると、1977年にWyn Kelly Swainsonが液体プラスチックに浸したトレイにレーザーを照射し、上部に固体プラスチック層を融合させる手法を特許取得したことが始まりです。1999年には、Wake Forest Institute for Regenerative Medicineの研究者が膀胱を3D印刷し、人類史上初の3D印刷臓器となりました。最初の機能的な3D印刷家具は2005年に登場しました。より大規模な産業利用としては、ボーイングが787ドリームライナー用にFAA認証を受けた3D印刷チタン部品を導入したことが挙げられます。

付加製造の初期から、レーザーは重要な要素となっています。ケンブリッジシャー拠点の産業用レーザーシステムの統合者・ユーザー向け出版物であるLaser Systems Europeは、レーザー付加製造を「レーザービームを用いてワイヤまたは粉末材料の連続層を融合または溶融し、3Dオブジェクトを作成するプロセス」と定義しています。

この技術は、高強度金属合金から熱可塑性樹脂、レジンまで幅広い材料に適用可能で、かなりの精度で複雑な形状を作り出すことができます。

技術が進歩するにつれ、レーザーは私たちの未来を形作る上で重要な役割を果たすことになります。その応用は通信、防衛、医療、クリーンエネルギー／核融合など多岐にわたります。レーザー基盤付加製造も同様に、多様な応用と多数の利点を有しています。

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レーザー基盤付加製造の種類と利点

レーザー基盤付加製造には、粉末床融解、直接エネルギー堆積、マテリアルジェッティング、シートラミネーション、ステレオリソグラフィーなど、さまざまなタイプがあります。

その最も顕著な利点の一つは、最適化されたジオメトリを持つ複雑な構造を作り出す能力です。従来の付加製造技術ではこのレベルの精度は達成できません。

レーザー基盤付加製造が提供する精度は、後工程の必要性を削減します。材料の無駄を最小限に抑え、従来の製造プロセスに比べてエネルギー消費を大幅に削減します。

レーザー基盤付加製造プロセスは、正確なニーズに合わせて自動化およびカスタマイズが容易です。この手法の精度と自動化性が組み合わさり、低コストで高速プロトタイピングを実現する効率的なソリューションとなります。

レーザー基盤付加製造は組み立てを必要としないため、需要に正確に合わせて作成でき、余分な材料や廃棄物を出さずに必要な材料だけを使用します。また、物流・輸送・廃棄物管理に伴う炭素フットプリントを削減し、環境にも貢献します。

レーザー基盤付加製造の応用分野

レーザー付加製造の応用範囲は広大です。例えば航空宇宙産業では、高性能かつ軽量な部品の製造に不可欠です。この技術の利点は自動車産業にも及び、エンジン、トランスミッション、排気系、ブレーキなどの重要部品の製造に利用されています。

さらに、レーザー付加製造は医療分野でも重要な役割を果たし、患者個別の複雑な設計の作成に活用されています。これには、股関節や膝関節インプラント、歯科インプラントなどの義肢ソリューションが含まれます。

エレクトロニクス分野では、レーザー付加製造の精度を活かして高精度なPCBが作られます。この精度により、アンテナ、センサー、トランジスタなど、より細かな特徴を持つ電子製品の製造が可能になります。

この技術は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）製造にも応用可能で、加速度計やジャイロスコープなどの精密部品の作成を支援します。

エネルギー分野では、ガス・風力タービン部品の修理にレーザー付加製造が有益であり、インペラ、バルブ、熱交換器などの部品製造でも重要な役割を果たします。しかし、レーザー付加製造は多面的な利用可能性を持つものの、まだ十分に商業化されていません。

レーザー付加製造：商業化の不足

2016年の研究は、レーザー付加製造の商業化レベルの実証的分析に取り組みました。この調査では、すべてのレーザー源を含む世界の産業用レーザー市場規模を約33億米ドルと推定しました。その中で、付加レーザー源はわずか1億米ドルに過ぎません。割合で見ると、レーザー源は市場全体のわずか3%にすぎません。

これらの数値は、業界関係者から得られた定性的情報でも裏付けられます。例えば航空宇宙産業では、規制環境によりレーザー付加製造の使用は主に試作に限定され、商用航空機への導入はできませんでした。同様に自動車産業でも、レーザー付加製造部品の認証使用は最近になってようやく始まりました。

したがって、レーザー付加製造の今後の成長は、大規模製造産業での利用が見つかるかどうかに依存します。また、以前以上にその可能性を明確に示すイノベーションが必要です。

音響モニタリング：レーザー付加製造のゲームチェンジャー

レーザー基盤付加製造が期待された勢いを得られなかった主な理由は、予期せぬ欠陥という課題に起因しています。これらの欠陥は、熱画像や機械学習アルゴリズムといった従来の手法では検出できないことが多いです。

したがって、リアルタイムで欠陥を効率的に検出する能力は極めて重要です。この能力は、レーザー付加製造が真の商業的可能性を実現する上で大きく貢献します。

簡単に説明すると、レーザー付加製造における欠陥検出の音響モニタリングは、完璧な印刷時と欠陥や不規則がある印刷時の音の違いを利用したリアルタイムソリューションです。

「私たちの研究は、その関連性を確認するだけでなく、従来の手法に対する優位性も強調しています。」

このプロセスはコスト効果が高く、特にレーザー粉末床融解（LPBF）で製造された製品の品質向上に有効です。LPBFプロセスでは、粉末層がビルドプラットフォーム上に広げられ、レーザービームで特定領域の粉末を選択的に溶融します。融合が完了し固体が形成された後、再び新しい粉末層が上に敷かれ、同様の工程が繰り返されます。この層ごとの繰り返しにより最終製品が完成します。

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音響モニタリングによる欠陥検出技術

EPFLチームは、Paul Scherrer Institute（PSI）およびスイス連邦材料科学技術研究所（Empa）と協力してこの設計を考案しました。

目的を達成するために、チームは印刷チャンバー内に超高感度マイクロフォンを配置しました。これらのマイクロフォンは、プロセス変化時の音響信号の明確な変化を検出し、最終的に製造欠陥の特定に役立ちました。

この研究はレーザー付加製造分野に価値をもたらし、研究者はその成果が航空宇宙や精密製造などの産業応用に大きな影響を与えると考えています。

広範な影響を考えると、レーザー付加製造に関わる多くの企業がさまざまな製品やソリューションを提供しています。これらの企業は、研究成果を自社プロセスに統合するためにさらに検討する姿勢です。以下のセクションでは、これらの革新的でリーディングカンパニーをいくつか紹介します。

レーザー基盤付加製造を商業化している主要企業

#1. IPG Photonics Corporation

IPGレーザーは、レーザー付加製造プロセスのうち、LMD（レーザーメタルデポジション）とSLM（選択的レーザー融解）の2つで使用されています。SLMは機械的特性が向上した完全密度の金属部品の製造に不可欠であり、LMDプロセスはノズルを用いて粉末をレーザースポットに同軸で供給し、完全密度の機能性金属部品の製造を可能にします。

これらのプロセスを強化する上で、IPGのファイバーレーザーは重要な役割を果たします。特にマルチキロワットの出力レベルで、粉末の積層速度や堆積速度を高速化するシステムやプロセスの開発に不可欠です。

IPGのレーザー付加製造プロセスに適合する材料の範囲は非常に多様で、以下を含みますがこれに限定されません：

• ポリマー
• CoCr
• アルミニウム
• チタン合金
• ステンレス鋼
• 工具鋼

これらの技術的進歩の成功を示すように、IPG Photonics (IPGP ) Corporationは2022年12月31日終了年度の強力な財務実績を報告しました。同社は14億米ドル超の収益を記録し、普通株式1株あたりの純利益（基本）は2.17米ドルとなりました。

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

革新的なレーザー付加製造ソリューションプロバイダーであるLMIは、あらゆる規模・業種の企業がこの技術を利用できるようにするというビジョンで取り組んでいます。

同社の主力製品であるAlpha 140は、200Wの空冷ファイバーレーザーを搭載し、ステンレス鋼、ニッケル合金、工具鋼合金、アルミニウム合金の加工に対応しています。140µmの焦点径により、細部や薄壁を持つ精密な出力が可能です。スピンドル駆動の軸システムにより、高い位置決め精度とリピート精度が得られます。

システムのサイズは1.75m×0.95mで、環境や研究室でのスペース効率を実現します。Alpha 140で製造された部品は、従来のLPBF機械で製造されたものと同等の強度と密度を持ちます。

LMIは1996年に設立され、2020年に機械メーカーのKurtz Ersa（自動車、医療、航空宇宙などの産業向けに付加製造ソリューションも提供）と提携し、Kurtz Ersaの世界的な流通ネットワークと24時間サービスを通じてAlpha 140を販売しています。

#3. Prima Additive

Prima AdditiveはPrima Industries (PRIMAIN.BO ) spaの部門で、レーザー粉末床融解（LPBF）または選択的レーザー融解ソリューションを提供し、レーザーの熱エネルギーでオブジェクトの一部を金属粉末層と融合させます。

Prima Additiveのレーザーソリューションは、複雑なジオメトリ、小ロット生産システム、プロトタイプの作成に効果的で、合計5つのソリューションがあります。

Print Sharp 150は、鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、コバルトクロム合金など、さまざまな材料の加工における研究開発用途に効果的です。

別のモデルであるPrint Genius 150は、マルチレーザー技術の汎用性が特徴です。対照的に、Print Green 150は緑色レーザーを使用し、純銅、銅合金、高反射材料の加工に特に有用です。

大規模な運用向けには、300ファミリーソリューションが最適です。高生産性シナリオ向けに設計され、中規模から大型部品の製造に理想的です。

最後に、Print Genius 400は、最大1メートルの高さの大型部品を生産するための高度に自動化されたオプションを提供します。

売上面では、Prima Additivesの親会社であるPrima Industries Spaは、2022年9月30日までの9か月間で3億2700万ユーロ超の純売上を記録しました。これは、2021年9月30日までの9か月間で2億8100万ユーロ超の売上から大幅に増加しています。

音響モニタリングなどを活用したレーザー付加製造の未来

イノベーションが続く中、レーザー付加製造が真の商業的可能性に到達するのは時間の問題です。その間、音響モニタリングは重要なツールとして登場します。この技術は製造手法の一貫性向上に寄与し、欠陥を早期に検出し修正を促すことで、近い将来に製品品質を大幅に向上させることが期待されています。