チタン合金積層造形技術の分析と今後の動向

積層造形技術は1990年代から存在しており、その発展は高エネルギー熱間クラッディング技術とラピッドプロトタイピング技術に基づいています。従来の製造技術と比較して、さまざまなツールによる切断やさまざまな複雑なプロセスによる加工が不要であるため、処理時間が大幅に短縮されます。同時に、複雑な構造の部品の場合、加工プロセスと製造精度が高くなります。

現在、チタン合金製品は多くの分野で使用されています。これらの製品は構造が複雑で、品種が多く、ロットが小さく、性能要件が高いため、従来の生産および製造技術ではこれらの製品要件を満たすことができませんが、積層造形技術はチタン合金製品の製造技術と性能要件を満たすことができるため、広く使用されています。

1. 積層造形技術の概要 積層造形技術は、主にコンピュータ内で部品の3次元CADモデルを生成し、その後、レーザークラッディングを使用して、モデルのサイズデータに従ってインクジェットの形で部品の材料を層ごとに堆積させ、3次元部品を形成します。積層造形プロセスはシンプルで、生産コストが低く、応用範囲が広く、コンピュータ内の部品のさまざまな3次元図面に応じて、製造部品の構造と種類をいつでも変更できます。特に、製品構造が複雑で、材料活性が高く、純度要件が高い金属部品の製造に適しています。

積層造形技術で使用される原材料は、主に金属と非金属の2種類に分けられ、同時に、焼結、硬化、熱クラッディングのために原材料に他の材料が追加されます。添加される材料の違いにより、積層造形技術はラピッドプロトタイピング技術と高性能金属部品直接製造技術に分けられます。

従来の切削加工と比較して、積層造形技術は金属部品の製造工程をワンステップで完了できます。製造工程は部品の3次元CAD図面に従って行われるため、部品の寸法精度は実際の要件に近くなります。その後の加工余裕が少なく、材料の利用率と生産効率が大幅に向上します。積層造形技術を使用すると、大型の設備は必要なく、製造会社の資源を節約できます。同時に、製造時間が短く、柔軟性が高く、製品構造の変化に応じていつでも変更できます。

2. チタン合金積層造形技術の研究と応用状況
1. チタン合金積層造形技術の研究状況

積層造形技術の発展に伴い、世界各国ではチタン合金積層造形技術の研究が活発に行われており、チタン合金積層造形技術がさまざまな場面に応用できることを期待しています。近年の研究によると、現在チタン合金部品の加工に使用されている生産プロセスには、レーザー選択溶融成形技術、電子ビーム溶融成形技術、レーザー立体成形技術、電子ビーム選択溶融成形技術などがあります。

（II）チタン合金積層造形技術の航空宇宙分野への応用 付加製造技術は、2001 年に米国の空母搭載戦闘機に初めて使用されました。航空機の耐荷重構造部品は、チタン合金の付加製造技術を使用して製造され、航空機生産に使用されました。 2011年、英国のサウサンプトン大学は積層造形技術を使用して、翼、コントロールパネル、ハッチを含むドローンのフレーム全体を製造しました。 2012年以降、航空分野におけるチタン合金積層造形技術の応用は前例のない発展を遂げました。チタン合金部品は航空機製造に広く使用されているだけでなく、ロケットやスペースシャトルなどの航空宇宙機器にも新しいチタン合金材料が使用され始めています。チタン合金積層造形技術で製造された部品は、航空宇宙機器間の溶接数を大幅に削減しました。チタン合金の強度が高まったため、航空宇宙機器の安全性が大幅に向上しました。

我が国の関連部門や科学研究機関もチタン合金の付加製造技術の研究を継続的に行っており、現在では航空分野に応用されています。我が国でチタン合金の付加製造技術を使用して生産された航空機の翼と主要な荷重支持部品は、対応する技術要件を満たしており、航空機の製造に適用されています。 2013年、北京航空航天大学はチタン合金付加製造技術を用いてチタン合金航空機主要荷重支持部品を製造し、技術検証に合格し、設置審査を受けました。これにより、我が国は世界で初めてチタン合金航空機主要荷重支持部品の設計と製造を習得した国となり、我が国のチタン合金付加製造技術が世界をリードする地位に入ったことを示しています。

（III）チタン合金積層造形技術の防衛分野への応用 国防兵器の生産過程においては、兵器の材料性能と部品の精度に高い要求が課せられます。米海軍は、航空母艦を大規模な兵器製造工場として活用し、ニーズや要件に応じて必要な兵器や装備を生産する、航空母艦への積層造形技術の設計を研究している。同時に、米軍は戦場のニーズに応えるため、武器部品の迅速な修理・生産を実現する「移動部品病院」の開発も進めている。我が国はまた、迅速かつ精密な兵器生産を実現し、我が国の防衛技術の発展を促進するために、防衛分野におけるチタン合金付加製造技術の応用に関する研究を強化しています。

（IV）チタン合金積層造形技術の医療機器への応用 チタン合金技術は人工関節などの現代医療にも応用されています。医療水準の向上に伴い、人工関節やその他の複合材料の体内への応用に対する要求も高まっており、人体に使用されるこれらの材料は、より良好な接触性と適合性を備え、相応の機能を果たす必要があります。チタン合金の付加製造技術を使用して製造された人工関節は、関節の耐摩耗性に優れたインターフェースを備え、骨組織とよく融合できるため、人工関節の品質と医療レベルが向上します。

3. チタン合金積層造形技術の応用展望の分析 積層造形技術の発展に伴い、チタン合金の積層造形技術はエンジニアリング材料のあらゆる分野に応用されるようになります。チタン合金付加製造技術によって製造されたチタン合金は、従来のチタン合金材料を完全に置き換えることができます。科学技術の進歩に伴い、チタン合金材料の応用範囲は航空宇宙、国防、医療健康に限定されるだけでなく、チタン合金の付加製造技術も引き続き向上、発展していきます。チタン合金の付加製造技術はまだ始まったばかりであり、その発展には継続的な改善と完成が必要であり、科学研究機関と研究機関の共同の努力が必要です。チタン合金の付加製造技術は、必然的に、より複雑な生産、より高い精度、より大規模でより低コストの方向へと発展していきます。同時に、付加製造技術もさまざまな分野に応用され、迅速な生産を実現し、我が国の製造業の急速な発展を促進し、我が国の経済発展の速度を大幅に高めます。

出典：宝鶏チタン産業研究所

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