3Dプリント＋AIで超複雑な金属部品のワンタイム成形を実現

出典: GEチャイナ

テネシー州にあるオークリッジ国立研究所は、もともと米国のマンハッタン計画の一環として歴史を築き、原子炉でのウランとプルトニウムの生産と分離に関する重要な研究開発を行っていました。そして現在、オークリッジ国立研究所は、世界を変える可能性のある技術、付加製造に取り組んでいます。

付加製造は 3D 印刷技術とも呼ばれます。その基本原理は、コンピューター制御によって層を追加して物体を形作ることです。ほとんどの印刷ではプラスチックやその他のポリマーが使用されていますが、オークリッジ国立研究所は、ジェットエンジン部品などの耐熱性および耐圧性のある機器の製造に使用できる金属粉末を使用した3D印刷を開発しました。従来の機械加工による組み立て部品の代わりに部品を「印刷」することで、製造において最も貴重な時間、費用、重量を大幅に節約できます。

オークリッジ国立研究所オークリッジ国立研究所は、民間企業との協力を通じて、鉄鋼、アルミニウム、その他の金属合金のさまざまな用途を研究しています。 GE アディティブの設計開発マネージャーであるブライアン・トンプソン氏は、付加製造における金属粉末の使用にはまだまだ大きな可能性があると語った。

10月、GEアディティブはオークリッジ国立研究所と5年間の共同研究開発契約を締結し、実験研究の成果とGEの実際の製品開発の経験を組み合わせました。この契約により、オークリッジ国立研究所とGE傘下のArcamとの協力関係が継続される。 Arcam 社の冷蔵庫サイズの 3D プリンターは、電子ビームを使用して何百万もの金属粉末粒子を溶接して薄い金属層を作り、たとえばジェットエンジンの部品を鋳造します。

3D プリンターは、コンピューターの図面に基づいて、微細な金属粉末を何層にも重ねて最終的な形状を作り上げます。たとえば、GE の新しい Catalyst ターボプロップエンジンには、12 個を超える 3D プリント部品が使用されています。以前は、これらの部品は 800 個以上の部品で構成する必要がありましたが、現在はすべて 1 つのユニットとして印刷できます。 GE の LEAP ジェットエンジンの燃料ノズルも、従来は 20 個の部品を溶接して印刷していましたが、現在は 1 つのコンポーネントとして印刷できるようになりました。多数の小さな部品を 1 つのコンポーネントに精製することで、重量、燃料消費、鋳造コストを大幅に削減できます。

航空機エンジンの燃料ノズルしかし、実際の製造工程は非常に複雑であり、一定のエラーのリスクがあります。温度、粉末の化学組成、あるいは機器の経年変化などの小さな変化でも、最終製品に大きな影響を与える可能性があります。ジェットエンジン部品の製造において、ほんのわずかのミリの誤差でも機体全体を台無しにする可能性があります。「材料や機械のあらゆる変化が、製造される部品の品質にどのような影響を与えるかを理解するために、私たちはまだ取り組んでいるところです」と、GEアディティブの先進製造部門副社長クリスティン・ファーストス氏は語った。

付加製造が成功するには、エンジニアは部品が常に厳しい仕様を満たしていることを確認する必要があります。この課題にどのように対処するかが、オークリッジ国立研究所と GE Additive の現在および将来の協力の焦点となります。イタリアのAvio Aeroなど、GEの一部工場では、使用する金属粉末3Dプリンターに、生産工程ごとにデータを収集するセンサーを装備している。

従来のコンピュータで大量の情報を分析するには長い時間がかかりますが、オークリッジ国立研究所には、1秒間に200兆回の計算を実行できる、地球上で最も強力なコンピュータとして称賛されている科学用スーパーコンピュータ「サミット」もあります。 (2021 年には、1 秒あたり 1,000 兆回の計算が可能な、より強力な Frontier が加わる予定です。)

「この膨大な計算能力は、本当に素晴らしい可能性を解き放ちます。データをはるかに速く分析できるようになります」とトンプソン氏は語った。データは複雑なコンピューターモデルに組み込まれ、研究者が多くの変数がどのように相互作用するかを理解し、プログラムを微調整するのに役立ちます。これらの調査結果は、生産プロセス中にリアルタイムで機器を調整できる AI 駆動型ソフトウェアに統合することもできます。

3D プリントプロセスをより効率的にするためのこれらの取り組みにより、より多くの企業が 3D プリントを選択するようになるでしょう。トンプソン氏は「ボタンを押すだけで製品を発売できます。しかし、この効果が出るまではまだ遠い。業界はまだ初期段階だ」と語りました。「従来の製造業のように50～60年の加工経験や人材がないため、3Dプリンティングに関する科学的研究が非常に重要なのです」 ”

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