ハルビン工科大学の江鳳春教授：ラピッドプロトタイピング製造における高出力超音波エネルギー場の応用

2019年9月19日から21日まで、IAME中国（西安）国際3Dプリント博覧会およびサミットフォーラムが西安ハイテク国際会議センターで開催されます。 2019IAMEは、積層造形（3Dプリント）技術革新のためのオープンな協力、共有、コミュニケーションプラットフォームを構築し、積層造形（3Dプリント）分野における世界トップクラスの成果と人材を結集し、業界におけるさまざまなリンクと産業チェーンの接続と統合を促進することを目指しています。戦略的パートナーメディアとして、Antarctic Bearは西安に行き、イベント全体を報道しました。
2019年9月20日、「付加製造技術と設備フォーラム」において、ハルビン工程大学の江鳳春教授が「ラピッドプロトタイピング製造における高出力超音波エネルギー場の応用」と題する報告を行いました。

現地での略記は次のとおりです。

ラピッドプロトタイピング製造における超音波エネルギー場の開発動向について皆さんと議論できるこのプラットフォームに大変感謝しています。上記のレポートは主に金属積層造形に関するものです。金属積層造形が直面している課題やボトルネックについては、私たちは知っています。ポリマー材料やバイオメディカルに比べて開発が比較的遅い理由は、コストが高いこと、成形効率が低いこと、部品の機械的特性が悪いことなどです。ここにいる全員が、これらのボトルネックを解決し、これらの技術的なボトルネックを克服する責任があります。

1.高出力超音波エネルギー場と急速な固化成形

超音波とは何ですか?これも一種のエネルギーです。電気をかけると振動します。幅広い用途を持つ伝統的な超音波装置です。 B超音波、カラー超音波などについてはご存じのとおりです。超音波を使用すると結晶化が妨げられ、粒子が細かくなります。これを真に工業化したのは旧ソ連であり、我が国は 1990 年代にこの点に関する取り組みを始めました。この装置は非常にシンプルで、コストは20万元以下で、国内に300台以上あります。では、これを積層造形とどのように組み合わせればよいでしょうか。これさえ手に入れれば、機械特性を向上させることができます。比較的出力が低いため、薄板溶接によく使用されます。 1990年代後半、米国は2つのトランスデューサーを接続しました。2つのトランスデューサー間の位相差はちょうど180度でした。電力が重ね合わされ、成形加工に使用できるようになりました。これがデュアルトランスデューサー技術です。

超音波固化成形の原理は、一定の圧力と限られた温度上昇条件下で超音波のエネルギーを利用して金属板を溶接することであり、低温急速固化成形技術です。さまざまな技術が使えます。この写真は5×4インターフェースです。低温で溶けないという利点があります。これは2013年に米国で作られた統合装置です。このビデオをご覧ください。なぜアルミニウム合金を使わないのかと疑問に思う人もいるかもしれません。高効率かつ低コスト、その秘密は何でしょう？金属や金属とセラミックを組み込んだり、センサーや接続ファイバーを組み込んだりできます。右下のアルミニウム合金製航空部品は、従来の鋳造や製錬では実現できない、複数のアルミニウム合金を組み合わせて作られています。これはスマートフランジです。従来の鋳造方法だとセンサーが必ず破損してしまうので、センサーを内部に配置できるように物理的に形成しています。大面積のプレートしか作れず、複雑な形状は作れません。

2. 超音波エネルギー場におけるラピッドプロトタイピングの基礎科学的課題

航空・国防の分野に設定された装置のため、中国国内にはそのような装置は存在せず、国際的にも販売されていない。こうした基礎研究を行うために、このような装置を製作した。中に小型熱電炉を設置して温度を計測しました。最高温度は 70 度を超えました。もちろん、これは正の負荷圧力と関係があります。温度は非常に低かったです。たとえば、銅とチタンを複合することは困難ですが、アルミニウムの遷移を通じてこの 2 つを組み合わせることができます。超音波圧密後、焼結します。チタンアルミニウムを直接焼結することもできます。超音波圧密後、焼結すると、基本的に3時間以内にアルミニウム残留物はなくなります。直接焼結する場合は、時間がかかります。これが私たちが行った比較です。UC では、反応速度が非常に速いです。超音波は一種のエネルギーです。界面にエネルギーを入力し、最終反応プロセスで反応を加速します。これらは、私たちが取り組んだインターフェースの結果の一部です。超音波研究の理解に加えて、0.3 mm を超える厚さのチタン合金は固まりにくく、予熱が必要であることがわかりました。ここでは超音波+機能パルス電流の変化を研究しました。パルス発電所の強度が増加するにつれて、拡散層が大幅に増加し、3倍に増加し、原子の拡散が加速しました。同時に繊維も入れます。このプロセスを使用して、連続繊維を入れます。合計で数百の繊維があります。炭素繊維であっても、超音波法を使用して均一に分散します。この技術を使用して繊維を均一に分散し、複合材料に導入します。積み重ねて焼結した後、高性能繊維が材料に導入されます。これがその用途です。

私たちはその科学的原理を研究し、剥離試験を実施しました。値がプラスマイナス28から30に増加すると、突然の質的変化が起こりました。これには科学的真実があります。質的変化が起こったので、現代の材料科学特性評価方法を使用してインターフェースを特性評価する必要があります。拡散曲線が異なることがわかりました。上は28でジッターが非常に強く、下は曲線が非常に滑らかです。もちろん、その拡散も異なります。結果は、層界面において、アルミ箔の近くにアモルファスとナノ結晶によって形成された連続した混合ストリップが存在することを示しました。これは、インターフェースの接合、またはインターフェース性能の向上に役立ちます。超音波の拡散により、結晶化層が形成されます。形成された混合ストリップは、チタンとアルミニウムを一緒に溶かします。結果は、アルミホイルは当社の酸洗いの表面処理とは異なり、酸化物を形成しやすいことを示しています。超音波はそれらを浸透して分解し、界面に均一に分散させ、良好な結果を生み出します。

3. 超音波エネルギー場を利用した金属積層造形技術

部品の機械的特性が悪いのは主に鋳造構造によるもので、鍛造品のレベルには達しません。当社のオンライン処理方法は、ローリングを含め、すべて組織や欠陥の問題を対象としており、超音波にもそのような機能があります。後処理の方法はたくさんあります。金属積層造形を行っている人なら、小さな部品の熱間静水圧プレスが可能であることをご存じでしょう。それらを 950 度の炉に入れると、パフォーマンスは非常に良好です。しかし、部品が大きく、重量が 10 トン以上、あるいは 10 メートル以上あったらどうなるでしょうか?そのような人種のるつぼを建設するには数十億ドルの投資が必要となり、非常に高額になるだろう。そのため、大型部品の熱間等方圧プレス技術には限界があります。転がりや転がりにもこのような問題があります。 50 km のチタン合金の圧力は 125 で、75 km の圧力は 89 です。圧力は非常に高いです。数ミリメートルの薄いアクセサリの場合、このような高い圧力は絶対に受け入れられません。これは大きな固体部品にのみ適しているため、この方法には一定の制限があります。この装置は現在、国内外で広く使用されており、多数の特許も取得されています。

先ほど超音波について触れました。これは非常に良い方法です。従来の超音波、市販されている機器を見ると、上部の3つのヘッドが取り外せるのがわかります。前面のスライドプロジェクターが一緒に接続されています。このヘッドは段階的に調整されており、数百ヘルツしかありません。そこで、中国の南方大学の教授が研究を行い、超音波を使わずに機械周波数に達するヘッドを自分で作りました。その結果、効果は同じであることが確認されました。いわゆる超音波は超音波周波数ではなく機械周波数です。超音波トランスデューサーを振動源として利用しているだけであり、機械的な動作を利用して数百Hzの振動を発生させることも可能なのです。

近年、超音波技術は非常に有望視されています。これが私たちの仕事です。私たちの仕事は、衝撃針とトランスデューサーを接続することです。グレーディングや機械的振動はもう必要ありません。しかし、ここにはいくつかの困難があり、私たちはこれを基礎として積層造形に適用します。超音波の効果を検証するための実験プラットフォームです。この実験プラットフォームを使用して、超音波の効果を検証します。AとDを比較してみましょう。Aは左足の上部にあります。欠陥が多く、衝撃を受けたものと受けていないものがはっきりとわかります。この衝撃により、最終的に表面の変形強化が起こります。これは穀物の場合であり、これは実験結果です。残留応力は、衝撃のないものは引張応力、衝撃のあるものは圧縮応力です。先ほどの結果は約 1 ミリメートルでしたが、私たちのものは約 1.5 ミリメートルで、これは材料に関係しています。これを1.5mm程度に制御すれば、各層を貫通して残留応力を高め、引張応力を圧縮応力に変換することができます。

衝撃プロセス中に相変態が発生し、オーステナイト含有量の変化傾向が明らかになったことがわかりました。相変態は超音波誘起マルテンサイト相変態であるため、低衝撃でもいずれにせよ変形と応力が発生します。チタン複合材料は成形が非常に難しいですが、この処理を施すと構造が非常に均一になります。超音波衝撃ヘッドとその前にある溶融池の間の距離は、非常に重要な影響要因です。超音波の距離が近いほど、衝撃温度が高くなります。これは私たちが行った実験です。10ミリメートルでは、温度は888度です。これは非常に単純です。距離が増すにつれて、温度はどんどん低くなります。私たちはさまざまなポイントに衝撃を与えており、組織特性の変化は異なります。右下隅の写真をご覧ください。青いものは非常に近い10ミリメートルで、上は10、20、30です。なぜ近いほど硬度が低くなるのでしょうか？それは、10ミリメートルでの温度が888度であり、衝撃中に再結晶が起こったためです。私たちは今この作業を行っています。

また、ロシアが高エネルギーパルスに取り組むプロジェクトも実施しており、これによってチタングレードの複合材の問題が解決されることを期待しています。多くのレポートでは、積層造形と切削造形について言及されています。この分野の市場は将来的に巨大になり、CNC工作機械と市場を共有する可能性があります。私たちはいくつかのプロジェクトを先行して行っています。もちろん、CNC工作機械上で、クレードル型ではなく大規模な積層造形を行っています。その許容範囲は非常に狭く、これが私たちが取り組んでいるプロジェクトです。これはアモルファスコーティング技術です。アモルファス材料は加工中に結晶化しやすく、性能が大幅に低下します。そのため、超高速レーザークラッディングと超音波干渉を結晶化に利用してアモルファス材料にする必要があります。当社では、粉末を急速に加熱するためにレーザー光も使用しています。私たちの研究は中国科学技術部と国家自然科学基金の支援を受けて行われており、私のチームにも感謝したいと思います。

皆様ありがとうございました！

ハルビン工科大学の江鳳春教授：ラピッドプロトタイピング製造における高出力超音波エネルギー場の応用

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