金属3Dプリンタの本格的導入に向けた適用検証で成果

従来と同品質での炭素鋼配管部材の造形と形状最適化を実現

日揮HD

2023年11月16日 10時00分

日揮グループの海外EPC事業会社日揮グローバル株式会社（代表取締役社長執行役員：ファルハン・マジブ）は、当社グループのIT戦略であるIT Grand Plan 2030の一環として、「3Dプリンタ導入や建設自動化による建設工法最適化」を推進しています。その中でこのたび、これまで世界的にも適用事例の少ない炭素鋼材料を用いた3Dプリンタによる設計・造形を実施し、従来の製造方法と同程度の品質で造形する知見を獲得しました。また、3Dプリンタならではの形状を追求し、軽量かつ、強度に優れた配管関連部品の造形に成功するなどの成果が得られましたので、以下の通りお知らせいたします。

日揮グローバルでは、EPC事業のプロジェクト遂行において、設計から工事までのリードタイム短縮や品質の安定化を目的に、大型3Dプリンタによる構造物の建設現場での直接製造を推進しており、これまで、大型構造物の造形への適性を考慮したセメント系3Dプリンタであるガントリー型コンクリート系建設用3Dプリンタの導入を検討してきました*1。

一方、金属材料を造形する3Dプリンタに関しては、3Dプリンタの造形方式のうちの1つであるWAAM技術*2に着目し、プラント建設工事において最も多く用いられる炭素鋼による配管部材等の製造を実現するため、2021年7月からオランダのMX3D社*3と共同研究を同社にて実施し、下記の成果を得ることができました。

炭素鋼による配管部材の造形および品質確保

3Dプリンタ業界では、合金などの高級鋼についての適用例は多いものの、プラント建設工事において最も多く用いられる炭素鋼についての造形例が未だ少ないのが現状です。共同研究では、WAAM技術を用いて炭素鋼から配管部材を造形し、さらに強度試験を行うことでその造形品質を確認しました。この試験により、従来の配管部材と同レベルの品質で炭素鋼から配管部材を製作する上での知見を獲得しました。

配管部材の形状最適化と強度向上

共同研究では、Autodesk社のAutodesk Fusion 360®*4に搭載された、表面が滑らかな最適化形状を得られるジェネレーティブデザイン機能を使用することで、従来の配管関連部品の形状を最適化し、使用する材料の重量の削減を目指しています。本研究では、この機能を用いることで配管サポートの形状を最適化し、使用する材料の重量を約3～4割削減することに成功しました。加えて、形状の最適化を行うことで強度を上げることにも成功し、崩壊荷重の2～6割の増加を達成しました。

現在、日揮グローバルでは3Dプリンタのプラント建設工事への導入に向けて、3Dプリンタで金属部品を製作する上で大きなハードルとなる外面塗装・疲労強度についての課題に取り組むなど、よりこの技術の実装を具体化するための検討を行っています。大型3Dプリンタによる構造物の建設現場での直接製造を達成することで、設計から工事までのリードタイムの削減に加え、建設現場の人材不足を補うなど、プロジェクト遂行上のリスク低減に大きく寄与できると期待しています。

写真１：MX3D社製3Dプリンタ

写真２：WAAM技術を用いて製作した配管部材

※1：当社グループのセメント系3Dプリンタの取り組みについてはこちら

https://www.jgc.com/jp/news/2021/20210630.html

※2：WAAM技術とは、金属材料として溶接用ワイヤを使用し、ワイヤをアーク熱源で溶融させて造形する3Dプリント技術で、アメリカ国防総省が潜水艦の部品を造形するために導入を決めるなど、大型構造物の造形が可能という特徴を有しています。また、WAAM技術ならではの形状により重量を削減した造形物は、従来の圧延材を使用したH形鋼と比べて、圧延工程などにおけるCO2排出量を削減でき、気候変動への影響が小さいと言われています。

※3：MX3D社は、WAAM技術を基にした金属材料の3Dプリンタシステムを提供するオランダのスタートアップ企業で、アムステルダムで初の3Dプリント鉄橋を製作して完成させました。

※4：Autodesk Fusion 360®は、機械加工向けの3D CAD/CAMソフトウェアで、2018年にジェネレーティブデザイン機能が搭載された。ジェネレーティブデザインは、与えられた制約条件の下で設計の反復計算を繰り返すことで多数のデザインモデルを生成することができます。生成されたデザインモデルの中から重量と剛性の関係から最適なモデルを選択することで、部材の軽量化と高強度化を実現できます。

<プラント建設で3Dプリンタを導入するメリット>

リードタイム短縮

現場に3Dプリンタを導入して直接構造物を造形することで、機器や配管部材の設計から製作や施工へのリードタイムを短縮することができれば、設計変更・リワークのリスクを大幅に削減でき、また現場で造形することにより、ベンダーの工場から現場までの輸送費の削減も期待できます。

造形自由度

従来製法と比較して、より複雑で自由度の高い造形が現地にて可能となるため、製作・施工誤差に起因する現場合わせ作業がこれまでよりも容易になり、また設計変更への柔軟な対応も可能となることから再製作の回避にも繋がることが期待できます。さらに形状最適化や軽量化を実現することで、顧客に新たな価値の提供も可能になると考えています。