詳細分析 | レーザー積層造形技術と応用

著者: 董世雲、方金祥、徐斌史、国防科学技術装備再生技術重点実験室、装甲部隊工学アカデミー

本稿では、レーザー積層造形法の技術的特徴を簡単に紹介し、国防、エネルギー・電力、産業機器などの分野におけるこの技術の応用状況を説明し、その応用展望を示す。レーザー付加再製造技術の 4 つの主要問題である残留応力、マトリックス熱影響部、インターフェースのマッチング、インテリジェントで自動化された再製造プロセスについて詳細な分析が行われました。これら 4 つの問題が、レーザー積層造形技術の大規模な商業的応用を制限する「ボトルネック問題」であると指摘されています。

1. はじめに<br /> レーザー積層造形技術は、レーザー3Dプリンティング技術とも呼ばれ、コンピューターの助けを借りて3次元の立体モデルを2次元の層にスライスし、次に2次元の層を1次元の線に離散化するレーザー製造技術です。レーザークラッディング技術を使用して点ごとに積み重ね、最終的に3次元の立体部品を形成します（その基本原理とプロセスを図1に示します）。この技術は、従来の製造技術と比較して、柔軟性があり、インテリジェント化が容易で、生産サイクルが短く、非常に高い機械的特性を持つ部品を生産できます。この技術は、航空、国防、輸送、エネルギー、冶金、鉱業などの分野で広く使用されており、魅力的な見通しを示しています。

図 1 レーザー積層造形技術の原理レーザー積層造形再製造は、レーザークラッディング技術に基づいて、使用中に故障した部品や誤って加工された部品の幾何学的形状と機械的特性を復元する技術的動作です。現代産業と国防における多くの主要設備は、生産工程が複雑で、手順が長く、コストが高いです。これらの設備の保守中に、摩耗、腐食、疲労、事故などの原因で、いくつかの主要部品が故障することが多く、設備の正常な動作に影響を与えます。これらの高付加価値部品を修理して再製造できれば、設備の正常な動作を確保し、コストを節約し、大きな経済的利益を生み出すことができます。一部の部品の加工手順は複雑で難しく、偶発的な損傷が発生しやすいです。多くの場合、誤って加工された部品は廃棄することしかできず、大きな無駄と損失が発生します。これらの誤って加工された部品を積層造形で修復すると、部品の合格率が大幅に向上し、生産サイクルが短縮され、経済的利益が向上し、損失を回復できます。レーザー付加再製造は、高度な再製造および修理方法です。この技術は熱源エネルギーを集中させ、基板の性能にほとんど影響を与えずに、部品の幾何学的形状と機械的特性の高品質な修復を実現できます。この技術を使用して、使用中に故障した部品や誤った処理を受けた部品を再製造および修理することは、実用上大きな意義があります。現在、レーザー付加製造技術は、航空エンジン、ガスタービン、鉄鋼冶金、軍事支援などの分野で広く使用されています。

レーザー積層造形技術の原理はレーザー 3D プリント技術と似ていますが、独自の特徴があります。一般的なレーザー付加再製造プロセスは、分解 - 洗浄 - 分類 - 検出 - 識別 - 再製造および修理 - (熱処理) - 後処理 - 検査です。分解・洗浄後に再生する部品については、まず非破壊検査と寿命評価を行い、再生可能な部品については再生・修理を行い、その後、後熱処理・後加工を行います。最後に、再生部品の品質を試験・評価し、再生製品が適格かどうかを判定します。最も核心となる段階は修理段階です。レーザー3Dプリント技術と比較すると、レーザー積層再製造技術では、再製造プロセス中の基板への熱損傷、再製造材料と基板との界面、再製造材料と基板の物理的特性のマッチングなどの問題にも注意を払う必要があり、問題はより複雑です。レーザー3Dプリント技術は、部品全体を点ごとにスキャンして積み重ねて形成するため、製造サイクルが比較的長く、コストが高くなります。対照的に、レーザー積層再製造は、故障した部品や加工ミスした部品を基礎として使用し、修復が必要なサイズが非常に限られていることがよくあります。製造サイクルが短く、コストが低いため、経済的および社会的利益がより顕著になります。

2. レーザー積層造形技術の応用状況

レーザー付加再製造技術は、機器の高性能修理のための高度な技術であり、さまざまな産業分野のハイエンド機器の高付加価値部品のメンテナンスに広く使用されています。英国のロールスロイスはレーザークラッディング技術を使用してRB211ガスタービンブレードを修理しています。米国のオプトメックデザインはレーザークラッディング成形技術を使用してT700航空機エンジン部品の摩耗を修理しています。米国のハフマンもレーザークラッディング成形技術を使用してニッケルベースの高温合金とチタン合金の航空ブレードを修理しています。米国軍はレーザークラッディング技術を使用して金属部品の迅速な製造と再製造を行う「モバイルパーツホスピタル」（略してMPHシステム）の開発に成功しました。このシステムは米国の海軍と陸軍に装備されており、アフガニスタンの戦場で重要な役割を果たしています。現在、レーザークラッディング技術は世界中の主要工業国で広く研究され、応用されています。

わが国では、レーザー積層造形技術も過去10年間で大きな進歩を遂げ、その工学応用範囲は徐々に拡大し、航空産業や兵器・装備のメンテナンスにおいて重要な役割を果たしています。ある工場では、レーザー付加再製造技術を使用して、航空機のエンジンブレードや航空機のその他の荷重支持部品を修理および再製造しています。中国科学院自動化研究所は、付加製造技術を使用して、航空機エンジンのタービンガイドベーンや船舶ブレードを修理しています。国防科学技術装備再生技術重点実験室は、中国で唯一の再生分野の国家重点実験室です。レーザー積層造形再生に関しては、装備予備研究プロジェクト、国家自然科学基金プロジェクト、国家973プロジェクト、企業協力プロジェクトなど、一連の国家、軍事、企業の科学研究任務を引き受け、完了しました。レーザー積層造形再生の材料、プロセス、性能特性などの面で徹底的な研究と探究を行い、大型車両エンジンカムシャフト、鋳鉄シリンダーヘッド、浸炭ギア、高速列車車軸、大型コンプレッサーインペラー、各種シャフト部品など、典型的な装備部品の再生に関する技術的問題を解決し（図2参照）、大きな経済的、社会的利益を生み出しました。

図2 大型車両の代表的な部品のレーザー積層再生レーザー積層再生技術は、ハイエンド機器サービスの分野で重要な技術手段となっています。中国にはレーザー積層造形再生会社が約300社あります。その中で、瀋陽大陸レーザーテクノロジー株式会社は、レーザークラッディング技術に基づくレーザー積層造形再生サービスを提供する中国で最も早いハイテク企業です。同社はレーザー積層造形再生技術を複数の産業分野に適用し、航空機器、冶金機器、石油化学機器、エネルギーおよび電力機器、鉱山機器などの重要な部品の緊急修理および再生問題を首尾よく解決し（図3を参照）、大きな経済的および社会的利益を生み出しています。

図3 レーザー積層造形再生用の典型的な産業設備部品現在、浙江理工大学、西北工業大学、華中科技大学、天津理工大学、中国軍装工学院、中国科学院広州先進技術研究所、南京先進技術研究所、瀋陽大陸レーザー技術有限公司、遼寧星色実業有限公司などの研究機関や企業は、レーザー積層造形再生技術、設備、材料、応用について徹底的な研究と実践を実施し、大学、研究機関、工場企業の間で競争と協力の発展のパターンを形成し、わが国におけるレーザー積層造形再生技術の研究と応用の主力を形成している。

3. レーザー積層造形法の主な問題点

レーザー積層造形法は広く使用されていますが、さらなる研究と解決が必要な重要な問題がいくつか残っています。

1.残留応力は、レーザー付加再製造が直面する最も困難な問題の 1 つです。再生部品の付加部分は、レーザークラッディング技術を使用して点ごとにスキャンして蓄積することによって形成されます。この非線形の強力な結合プロセス中、材料の温度と物理的特性は極めて不均一であり、必然的に応力と歪みの発生を伴い、再生部品の亀裂や変形につながります。さらに、高い残留応力状態は、部品の静力学、耐腐食性、疲労などの特性にも影響を及ぼし、最終的には再生部品の使用性能と安全性に影響を与えます。

レーザー 3D プリント技術と比較すると、レーザー付加再製造の残留応力の問題はより顕著です。レーザー3Dプリントでは、合理的なスタッキング戦略を使用して、クラッディングプロセス中の温度場の均一性と材料の実際の拘束度を調整し、引張応力の過度の蓄積を回避できます。レーザー積層造形プロセスにおけるマトリックスの形状とサイズは固定されていることが多く、その拘束度は一般的に大きく、高レベルの残留引張応力の蓄積を引き起こしやすくなります。さらに、レーザー付加再製造プロセスでは、ベース材料と再製造材料が異なる材料であることが多く、降伏強度や熱膨張係数など、残留応力の発生に影響を与える主要なパラメータが通常大きく異なるため、高レベルの残留引張応力が蓄積されやすく、応力分布の不均一性が増大する可能性があります。北京航空航天大学の王華明教授は、残留応力の問題をレーザー積層造形における「第一のボトルネック問題」と呼んでいます。レーザー積層造形の場合、この問題の深刻さは従来のレーザー積層造形よりもさらに大きく、さらなる研究が必要です。

2.熱影響部のパフォーマンス低下は、レーザー付加再製造におけるもう一つの重要な問題です。周知のように、熱影響部は通常、溶接接合部の比較的脆弱な部分です。レーザー積層造形プロセスでは熱源エネルギー密度が集中し、熱影響部は小さくなりますが、熱影響部における材料特性の変化は依然として重点的に取り組む必要がある問題です。レーザー積層造形の熱サイクルは材料の微細構造に変化を引き起こし、最終的には材料の性能に影響を与えます。熱処理は粒子のサイズと均一性、析出相の種類、分布、サイズ、材料の固溶度、元素の粒界偏析の程度などに影響を与え、最終的には熱影響部の硬度、強度、可塑性、耐食性などの特性に影響を与えます。代表的な熱影響部は、マトリックスから界面まで、不完全再結晶部、再結晶部、過熱部などに大別されます。不完全な再結晶化ゾーンでは粒径の均一性が悪く、性能の均一性も悪いです。再結晶化ゾーンの構造は通常より細かく、過熱ゾーンでは異常に成長した粒子が多く、その粒径と性能の均一性も悪いです。レーザー積層造形法の一般的なマトリックス材料には、ニッケル系、コバルト系、チタン系、鉄系、アルミニウム系などがあり、その熱処理状態は鋳造、鍛造、時効、圧延、浸炭、窒化など多様です。そのため、レーザー積層造形の熱影響部の性能の劣化モードと程度はかなり異なり、具体的な材料に基づいて的を絞った探索と研究が必要です。通常、溶接プロセスの熱影響部の研究結果には一定の参考値がありますが、レーザー積層造形の熱サイクルと一般的な溶接プロセスの熱サイクルの違いに注意する必要があります。レーザー積層造形のプロセスでは、熱影響部の温度勾配が大きく、温度変化がより急激で、熱サイクルの数が多くなる可能性があります。

3.レーザー付加再製造においては、基板と再生材料間のインターフェースの整合も重要な問題です。レーザー 3D プリントとは異なり、レーザー積層造形材料の化学組成と熱処理状態は、マトリックス材料の化学組成と熱処理状態と異なることがよくあります。組織特性と物理的および化学的性質には一定の違いがあるはずです。これらの違いは、インターフェースの結合品質に影響を与え、欠陥につながります。インターフェースの問題には主に次の種類があります。1 つは、マトリックス材料がクラッド材料と混合され、脆性相が生成される可能性があるインターフェース脆性相です。たとえば、ねずみ鋳鉄部品をレーザー積層再製造する場合、非常に高い冷却速度でグラファイト内の炭素が放出されるため、硬化構造の「白い鋳物」が界面に容易に形成されます。脆い相の形成は、再製造プロセスで亀裂を引き起こすことが多く、界面の性能を著しく低下させます。もう一つの界面の問題は、界面の隙間と亀裂です。基材とクラッド材の相性が悪いと、界面の濡れ性が悪くなり、界面に隙間や気孔などの欠陥が生じやすくなり、界面の接合強度に影響を及ぼします。インターフェースの物理的特性の一致度もインターフェースの重要な問題です。レーザー積層造形プロセスでは、インターフェースの両側の材料が複雑な温度と応力-ひずみサイクルを受ける必要があります。この物理的特性の差は、異常なインターフェース応力やひび割れにつながりやすくなります。その後のサービスプロセスでは、部品は温度負荷や力負荷に耐える必要があることがよくあります。このとき、熱膨張係数、降伏強度、硬度、密度などの差はインターフェースの性能に重大な影響を及ぼし、剥離などの現象を引き起こし、サービス性能とサービス安全性に影響を与えます。実際、レーザー積層造形再生材料はこの技術の核心であり、マトリックス材料システム、熱処理状態、使用条件などの要素に基づいてレーザー積層造形再生材料専用のデータベースを確立し、データ共有を実現し、レーザー積層造形再生産業の発展を促進する必要があります。

4.再製造プロセスのインテリジェンスと自動化も、レーザー積層造形技術における重要な課題です。レーザー 3D プリントでは、自動化を実現するのが比較的容易であり、同じ部品にまったく同じ製造戦略を採用できます。レーザー積層再製造技術では、再製造されるブランクの種類は多種多様です。同じ種類の部品であっても、損傷モード、損傷場所、損傷度合いは同じではありません。つまり、レーザー積層再製造では、製造プロセスのように単純に大量生産や自動化を実現することが困難です。この特徴は、レーザー付加再製造のサイクルと効率に影響を及ぼし、その経済的実現可能性を低下させます。理想的な条件下では、まず再生部品を3次元スキャンし、逆解析後に再生モデルを理想的な部品モデルと比較します。次に、再生戦略が自動的に策定されます。部品上の座標基準点が決定された後、レーザー積層造形操作が実行されます。その後の処理を経て、再生部品が得られます。現在の実際の操作では、3次元逆解析後に策定されたスタッキング戦略は理想的な状態に到達できず、完全な自動化とインテリジェント化はまだ実現されていません。再製造効果は満足のいくものではなく、特定の部品に対して手動の再製造操作が必要になることが多く、オペレーターに高いレベルの技術スキルが求められ、再製造操作の時間サイクルが長くなり、経済的利益が減少します。そのため、3次元逆解析後の再製造戦略立案技術について引き続き詳細な研究を行う必要があります。レーザー付加再製造技術は基板によって制限され、その戦略立案はレーザー3Dプリント技術とは多少異なることに注意する必要があります。

IV. 結論
1. レーザー付加再製造は、鉄鋼、鉱業、機械、輸送、エネルギーと電力、航空宇宙、国防など、多数の分野で成功裏に適用され、大きな経済的および社会的利益を生み出し、幅広い応用の見通しを持つ高度な再製造および修理技術です。

2. 残留応力制御、マトリックス熱損傷制御、インターフェースマッチング、および再生プロセスの自動化とインテリジェント化は、レーザー積層再生技術の4つの主要な問題です。レーザー積層再生の大規模な商業的応用は、これら4つの主要な問題の徹底的な研究と解決にかかっています。

著者: 董世雲、方金祥、徐斌氏、国防科学技術装備再生技術重点実験室、装甲部隊工学アカデミー、

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