チタン合金中空格子構造は、金属3Dプリント技術を使用して印刷されます。写真：リー・チェン
従来の技術では 6 か月かかっていた製造作業が、金属 3D プリント技術を使用すればわずか 5 日で完了します。
3Dプリントされた高さ3.07メートルのC919中央翼ストリップ
高さ3.07メートルのC919中央翼端板の前に立って、J-20主任設計者のヤン・ウェイ氏は長い間それを見つめていた...彼が特に感動したのは、これが我が国が完全な知的財産権を有する金属3Dプリント技術を使用して「プリント」された国産の大型航空機部品だったことだ。
産学研連携で先端技術の花は「赤」
このC919中央翼帯はチタン合金製で、サイズは3.07メートル、重量は196キログラムで、2012年1月に印刷に成功し、同年にCOMACの性能試験に合格し、2013年に国産大型航空機C919の最初の検証機に使用されました。
国産航空機の設計検証段階で3Dプリント技術を用いて荷重支持部品を作製するのは初めてであり、国際民間航空機の設計・製造でも初めての事例となる。さらに重要なことは、翼の主要部品として、当時の我が国の製造能力では、このような特大かつ複雑な構造部品を鍛造することは不可能だったということです。しかし、海外から購入すると、大型航空機の国産化率に必然的に影響が出てしまいます。
「金属3Dプリント技術は、チタン合金部品の加工に新たな技術的アプローチを提供し、中国の航空機製造に新たな道を開くものだ」と西北工科大学の技術開発者で教授の黄衛東氏は中国青年報と中国青年オンラインの記者に語った。
「3Dプリント」の科学的な名称は「付加製造技術」です。原理は、コンピュータで設計された3次元モデルをいくつかの層の平面スライスに分解し、スライスパターンに従って「印刷」する材料を層ごとに重ね合わせ、最終的にそれを「積み重ね」て完全なオブジェクトにすることです。
C919 の中央翼ストリップの製造は、航空分野における金属 3D プリント技術の応用の典型的な例です。黄衛東氏と彼のチームがこの技術を使って印刷した金属材料と部品は、わが国のミサイル、航空機、ロケット、衛星、航空エンジンなどの分野で広く使用されています。国内のさまざまな航空機向けに2万点近くの部品が用意され、そのほとんどが取り付けられて使用されています。
黄衛東氏は、1990年代初めから、試作品を素早く形成・製造できる「3Dプリント技術」に注目し始めました。彼は、西北工業大学の学部時代の同級生で起業家の浙瀚陽氏の資金援助を受け、20年以上にわたって金属3Dプリント技術を研究し、継続的に大きな進歩を遂げてきました。
2011年7月、COMACの業務協力要請に応じ、浙盛陽、NPU、黄衛東らは共同で、NPUテクノロジーが管理する株式会社である西安ポリライト添加剤技術有限公司を設立しました。西北工業大学と黄衛東が技術を提供し、浙盛陽らが資金を提供し、黄氏が会長、浙氏が副会長を務めた。
明確な財産権と責任と権利を持つ学校と企業の協力により、この最先端の成果は生産、教育、研究の統合を加速させることができました。その最も象徴的な成果は、高さ3.07メートルのC919中央翼帯です。 黄衛東氏らは、この「運命」に今でも感銘を受けている。 2011年の初めに、「研究チーム」はC919の中央翼スラットを印刷する任務を引き受けました。彼らは昼夜を問わず懸命に働き、1年も経たないうちに、廃墟となった教育実験工場に近代的な工場を建設し、金属3Dプリント用の特別な設備を開発し、一連の極めて厳しい性能テストを完了し、西安ポリライト社を設立し、2012年の初めまでにエッジストリップの印刷の準備を完了しました。
その後、20名以上のチームメンバーが残業して時間との戦いを続け、ついに2012年1月22日の朝、C919の中央翼の最初のストリップを一発で印刷することに成功しました。 「その日は大晦日でした。」その日の正午、興奮した西北工業大学の周耀和院士がチームのために親睦会を催しました。「親睦会は正午から大晦日の夜まで続き、ほとんどの人が飲み過ぎました！」食事と飲酒が終わると、すでに元旦になっており、チームメンバーの趙暁明は、まだ正月用品を買っていないことを思い出しました。
設立後、黄衛東氏のチームの金属3Dプリント技術は科学研究において急速な進歩を遂げ、産業化も急速に進みました。 2018年には、この技術を使用して、COMAC、AVIC、AECC、中国航天科技集団、中国航天科技集団など200社以上の企業向けに3万点以上の金属部品を積層製造しました。これらの部品は、数多くの先進的な航空機、エンジン、ロケット、衛星、その他の主要な国家タスクに一括して適用されました。
ポリライトのヤン・ドンフイ副総経理は、独自の知的財産権を持つ「金属3Dプリント」技術と設備を使用して印刷されたC919中央翼ストリップを実演しました。写真：リー・チェン
業界リーダーがエアバスを誘致
2017年3月、上海で開催されたアジア3Dプリンティングおよび積層造形博覧会で、特大の航空機エンジンブレードが来場者の注目を集めました。
この933mmの部品は、SLM（粉末積層法）技術を使用して印刷された世界最大のチタン合金部品です。ブレードの重量は同サイズの炭素繊維複合材ブレードと同等ですが、横方向の性能は優れており、一体成形により部品の信頼性も大幅に向上しています。
航空機エンジンの主要部品は、従来の技術では製造が非常に困難です。黄衛東氏のチームの金属3Dプリント技術は、製造の簡素化を実現しました。必要なのは、コンピューターで設計されたプリントプログラムと、断面に合わせて層ごとにプリントすることだけです。
黄衛東氏は中国青年報と中国青年オンラインに対し、金属3Dプリント技術の利点について、まず、ほぼあらゆる複雑な構造の部品を製造でき、非伝統的な技術とは比較にならないこと、同時に、軽量で位相最適化の特性により、材料の大幅な軽量化を実現できること、これは重量が非常に重要な航空宇宙分野では特に重要であることなどだと語った。
さらに、航空宇宙部品は構造が複雑でコストも高く、一度欠陥や不具合が発生すると丸ごと交換するしかなく、計り知れない損失を被る可能性があります。しかし、金属3Dプリント技術を活用すれば、欠陥部分を同じ材料で完全な形状に修復することができ、修復後の性能にも影響がないため、時間とコストを大幅に節約できます。
同時に、商用レーザー金属3Dプリント装置も開発され、Polyliteは中国最大の金属3Dプリント部品加工会社となっただけでなく、ハイエンド金属3Dプリント装置の製造において最も技術的に進んだ企業にもなりました。
「私たちは世界最高のチームとのみ仕事をしています。」エアバスは2014年3月、ノースウェスタン工科大学およびポリライトと協力協定を締結し、レーザー立体成形技術（レーザー3Dプリント技術の一種）の航空分野への応用を共同で開発する。
エアバスが自ら同社にアプローチし、協力を求めた理由は、第一に同社の「最高」の科学研究チームに感銘を受けたからであり、第二に同社の「最高」の運用チームに感銘を受けたからである。
ポリライトの技術は西北工業大学から来ています。西北工業大学の凝固技術国家重点実験室とレーザー製造工学センターに依存しており、強力な科学研究能力を備えています。ハイテク科学研究エリートチームを擁し、研究開発人員は全従業員の40％を占め、従業員の30％以上が修士号以上を取得しています。
Polylite の動作メカニズムは独特です。西北工業大学と黄衛東が普通科技株の51%を所有し、黄衛東が同社の会長を務めているが、同社の実質的な支配者はビジネスを理解して経営する浙盛陽である。浙江氏は会社の主要事項に対する拒否権を持ち、会社の運営方針を統制している。
「教授は教授のやるべきことをやらせ、起業家は起業家のやるべきことをやらせよう」。これは、科学研究者、科学技術管理幹部として働き、20年以上ビジネスに携わってきた浙盛陽氏が語った言葉だ。会社で重大な紛争が発生したとき、浙盛陽の「最後の投票」は特に重要です。
当時、レーザー金属3Dプリンターが製造された後、ほとんどの人は、自分たちのこの「宝の山」を市場に出して他人に与えるべきではないと考えていました。浙盛陽は、会社の長期的な発展の観点から、会社を売却すべきだと考えている。まずは協力して市場を拡大し、会社がより多くの足場を持てるようにすべきだ。激しい議論の末、浙江省は拒否権を行使して大胆に会社にこの機器の市場投入を促しました。その結果、この機器は多くの部門や企業で売れ行きが好調となり、ヨーロッパへの輸出も成功し、フランスやドイツでも評判となりました。
2018年、ポリライトはエアバスのIPCA認証に合格し、エアバスA330積層造形プロジェクトを立ち上げ、アジアで唯一のエアバス向け金属積層造形認定サプライヤーとなりました。同年8月、エアバスは西北工科大学およびポリライトとそれぞれ共同科学研究協力協定を締結し、三者は共同研究開発の時代に入った。
設計をより自由に、製造をよりシンプルに
2014年、J-20の主任設計者であるヤン・ウェイ氏は、金属3Dプリント技術を調査するために西北工科大学を訪れました。高さ3.07メートルのC919中央翼リブの横には、J-20用に特別に製造された金属製3Dプリント部品も展示されている。楊偉はそれを何度も眺め、何度も触り、深い感動を覚えた。
楊偉氏が金属3Dプリント技術に衝撃を受けた理由は、デザインが常に生産技術と生産プロセスによって制限されてきたからだ。航空機の設計を例に挙げてみましょう。たとえ空力設計や総合性能設計が優れていても、それを生産できる会社や適切な部品を加工できる工場がなければ、どんなに優れた設計でも無駄になってしまいます。金属3Dプリント技術は、この問題を解決してきましたし、現在も解決中です。
人類の製造業は、原始人が石器を作ったことから始まりました。これはまさに、余分な部分をどんどん削ぎ落としていく、何百万年も前から今日まで続けられてきた「減算型製造業」そのものです。精密CNC工作機械の冷間加工を含む機械製造時代の切断、穴あけ、フライス加工などのプロセスはすべて「減算型製造」です。火を起こした後、鍛造、叩き、槌打、叩きなどの熱間加工は「均質材料製造」に属します。最も典型的で単純なのは鍛冶です。
減算型製造と等材料製造はどちらも限界があります。第一に、複雑な部品を全体として処理することは不可能です。最初に異なる構造の部品を製造し、次にそれらをリベット、溶接、接続または結合する必要があり、時間がかかり、労働集約的です。第二に、超特殊形状、超複雑、超薄肉構造を処理できません。第三に、部品の軽量化が困難です。
金属 3D プリント技術はこれらの問題を克服できます。 「いつか、航空機エンジン全体を完全な形で印刷できるようになるかもしれない」と、チームメンバーで同社の主任エンジニアである趙暁明氏は語った。
減算型製造や等材料製造と比較すると、付加製造は間違いなく大きな革命です。
黄衛東氏は、C919の設計検証段階で、中央翼リブの試作に成功したことが大きな貢献をしたと述べた。従来のプロセスでは完成までに6か月かかる製造作業が、金属3Dプリント技術を使用するとわずか5日間で完了し、一発で成功裏に形成できた。金属原料であるチタン合金コーティング粉末の無駄はほとんどなかった。
黄衛東博士課程の学生でポリライトのゼネラルマネージャーである薛磊氏は、金属3Dプリントで印刷されたハニカム金属構造は、その優れた機械的特性、軽量性、トポロジーの最適化により、材料に対する要求が極めて厳しい航空宇宙および航空エンジンの分野で幅広く使用できると述べた。たとえば、従来の技術で生産された翼や胴体の素材を、強度と頑丈さを保ちながら新しい素材に置き換えることで、航空宇宙機器の重量を大幅に軽減できます。設計者は、重量を軽減するために航空機の性能や武器の搭載を犠牲にする必要がなくなりました。
薛磊氏は、現在航空宇宙および航空エンジン分野で2万点以上の部品を印刷しており、製品構造の最適化と機能性の向上を図りながら、全体的な構造重量の削減も達成しており、最大で60％を超える軽量化を達成したと紹介した。
「金属3Dプリントは壮大な新世界を生み出しています。今日、この壮大な新世界は夜明けの兆しを見せているに過ぎません。」黄衛東氏の見解では、熱間加工の発明により人類は「石器時代」から「金属時代」へと突入し、冷間加工の発明により人類は「複合機械時代」へと突入し、付加製造は必然的に人類の製造能力にさらなる大きな飛躍をもたらすでしょう。
「人類を新たな『自由設計時代』に導き、製造方法を根本的に変え、社会のさらなる大きな変化を促進するだろう」黄衛東氏と薛磊氏は記者団に次のように語った。「革命的な金属3Dプリント技術は『設計をより自由にし、製造をより簡単にし』、わが国の伝統的な金属加工産業の欠点や欠陥を補い、中国の工業製造業が『機械加工』から『インテリジェント製造』へと変革することに貢献するだろう。」
中国青年報・中国青年オンライン記者黄波と孫海華 出典：中国青年報
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