張海欧、武漢華中科技大学：高級鍛造品のマイクロ鋳造および鍛造複合付加製造

南極熊からのメモ：早くも2017年6月に、南極熊は武漢天宇智能製造有限公司（天宇智能製造）を初めて訪問しました。当時、3,000平方メートルの「マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合材積層製造」生産ラインが稼働していました。2つの大型マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合材積層製造装置に加えて、中型高圧マイクロ圧延積層装置、レーザークラッディングおよび再製造装置、ConceptレーザーM2などもありました。 1年後、張海欧教授が発明した「マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合付加製造」技術は大きな進歩を遂げ、航空宇宙、兵器・装備、造船、海洋工学の分野における主要プロジェクトに貢献しました。この記事は、2018年付加製造グローバルイノベーションコンペティションで張海欧教授の講演と専門家の質問に対する回答を南極熊が聴いた際のハイライトの一部を集めたもので、我が国が主要な設備で画期的な進歩を遂げたことを示し、業界交流を奨励することを目的としています。

△張海欧、華中科技大学博士課程指導教員、デジタル製造設備・技術国家重点実験室金属3Dプリント学術リーダー、中国付加製造産業連盟学術委員会委員、武漢天宇智能製造有限公司主任科学者。

△マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合材積層造形専用装置

プロジェクト: 高級鍛造品のマイクロ鋳造および鍛造複合付加製造

抽象的な：

ご存知のとおり、古代の刀剣、現代の航空機のフレームビーム、エンジンのタービンディスクはすべて鍛造品です。古代から、最初に鋳造してから鍛造しています。そのプロセスは長く複雑で、複雑な高級鍛造品を全体として製造することは不可能です。我が国の主な需要から見ると、航空エンジン、大型航空機、動力プラットフォームには、高強度、高疲労寿命、軽量の高級鍛造品が求められており、年間需要は2000億人民元を超えています。現在、その90％以上が輸入に依存しています。例えば、C919の注文は800件近くあり、着陸装置の注文サイクルは2年と長く、コストがかかっています。このような高級鍛造品の場合、従来の製造技術の使用は、プロセスが分散して長く、製品の適応性が低く、全体として複雑な形状や傾斜材料の部品を製造できないという制限があります。また、大型設備の不均一な成形、高いエネルギー消費、重度の汚染により、歩留まりが低く、コストが非常に高くなります。

積層造形技術は工程が短い製造技術ですが、製造工程中に熱間鍛造を経ず、組織特性が異方性であるため、高強度・高靭性の鍛造品を直接得ることが困難です。このことから、従来の技術では複雑な鍛造品を短い工程で製造することができず、積層造形技術では疲労寿命の高い鍛造品を製造することが難しいことがわかります。疲労寿命の高い高級鍛造品の短工程総合製造技術を発明できるかどうかが大きな課題となっています。

マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合積層造形技術——

· 原則的な革新。時空間交互剛柔エネルギー場の作用による非平衡加熱凝固と半固体変形再結晶化の熱力学過程のマクロおよびミクロメカニズムの研究に基づき、半固体の超短プロセス、複雑な形状、高い疲労性能を並行して生み出す「同時鋳造鍛造、溶融フライス加工」という新しい方法が発明されました。

· プロセスの変更。自由空間と制御可能な多重エネルギー場の複合作用による鋳造、鍛造、焼入れ、焼戻しを統合した新しいプロセスを発明し、均一な等軸微細粒子を持つ大型で複雑な鍛造品を製造する新しいプロセスを作成します。

機器の発明。当社は、複雑な鍛造品の高信頼性製造を実現するために、コンパクトな変成マイクロ鍛造機構と形態欠陥のその場検出・修復システムを統合した新しい装置を発明しました。

△自由成形マイクロ鋳造鍛造複合成形
3Dプリントされた等軸微細粒鍛造合金の比較

スマート可変セルマイクロ鍛造機構：堆積凝固ゾーンに同期して作用し、1トン未満の機械力でマイクロ鍛造を実現します。これは80,000トンの鍛造効果に相当します。
インサイチュ検出・修復システム：超音波と渦電流の複合インサイチュ検出装置を発明し、欠陥を層ごとに検出し、発見後に除去・修復し、欠陥のない成形を保証します。
形状検出と動的経路計画: オンライン形状検出と動的成形経路インテリジェント計画システムを開発し、余分な部分を少なくして正確な成形を保証します。
——Scripta Materialiaは、張海欧チームのマイクロ鋳造、鍛造、フライス加工同期複合製造（HDMR）技術は、天宇智能製造チームによって最初に開発されたものであり、英国クランフィールド大学のアーク積層冷間圧延シリアル技術とは異なると明言した。

Q&Aの概要:
沈鎮：こんにちは、張教授。中国の航空機部品、特に単一鍛造品は航空宇宙分野で常に大きな関心事となっているため、張教授の研究開発成果に非常に興味があります。あなたの装置で印刷できる最大サイズはどれくらいですか？
張海欧：現在は最大4メートル程度の大きさまで印刷できますが、将来的にはさらに大きくなる予定です。
沈鎮：大型鍛造品に関するもう一つの非常に重要な問題は疲労寿命ですが、部品の疲労性能はどうでしょうか？
張海欧：当社の技術は電気アークとプラズマアーク技術を採用しています。冶金プロセスは非常に完成度が高く、他の技術よりも靭性や疲労性能の点で優れた性能と利点があります。当社のテスト結果では、疲労性能と損傷許容度の点でも、当社の技術が従来の技術や他の技術よりも優れていることが示されています。これが当社の技術の特徴です。強度の点では特に優れているわけではありませんが、可塑性、靭性、疲労性能の点で大きな利点があります。

陳志平：私はコストに興味があります。従来の鍛造技術と比較して、御社の技術はどれくらいのコストを削減できますか？
張海欧：これは多くの側面に分かれています。エネルギー消費に関しては、生産中に実際の測定を実施しているため、70%以上を節約できます。たとえば、AVICの着陸装置の場合、当社のプロセスのエネルギー消費は従来のプロセスのわずか10%です。また、工程面では最も安価な熱源である電気アークを使用し、使用する線材の価格も粉末材料のわずか10分の1と非常に安価です。現状ではトータルコストは型鍛造より高くはなりませんが、今後規模が拡大するにつれコストは下がり続けます。
陳志平：私たちは、三次元の圧力をかける伝統的な鍛造に馴染みがあります。御社の技術も同じですか？
張海欧：3次元化も実現できます。万能圧延機のような装置があり、成形工程が3次元圧力状態になることが保証され、性能が大幅に向上します。
陳志平：設備投資の規模はどのくらいですか？
張海欧：こうしましょう。アメリカの会社、Sciaky は電子ビーム成形を行っています。彼らの成形サイズは私たちのものと似ており、コストは 500 万ドルだと言っています。弊社の機器の機能性や価値はそれよりもはるかに高いものと考えておりますので、ご参考にしていただければと思います。

陳志平：商業適応性の観点から、あなたの技術をどのように評価しますか？
張海欧：当社は「鋳造と鍛造の同時製造」技術のパイオニアとなり、新たな市場を開拓し、積層造形市場の差別化を主導してきました。長期的には、当社の技術を基盤とする市場はますます大きくなり、当社製品はコストパフォーマンスの面で市場をリードすることになります。

張家鎮：C919機体に対する多くの要件について言及されましたが、私たちにとって最も重要なのは耐空性の複雑さ、つまり簡単に言えば安定性です。安定性についてはどうですか？社内で評価し、テストを実施しましたか？
張海欧：私たちはテストを行っていますが、それは簡単な作業ではありません。これはすべての企業が目指すべき方向です。耐空性は一度で達成できるものではなく、10回以上行う必要があり、プロセスはかなり長くなります。安定性について言えば、当社の技術は特に塑性、靭性、疲労性能に優れており、その安定性を十分に物語っています。

張家珍：ノルスク・チタニウムやエアロスペース211と比べて、御社の優位性は何ですか？
Zhang Haiou: Norwegian Titanium はプラズマ技術を使用して、金属線を溶かして層ごとに積み重ねることで 3D エンティティを構築します。弊社も以前プラズマに取り組んでいましたが、当時は比較的高価な粉末を使用していたため、後に断念しました。現在、ノルウェーチタン社がこの技術を使用して金属線の溶融と堆積を実現し、確かに大きな進歩を遂げましたが、同社の設備のコストは弊社のものよりも高く、複合塑性もないため、正確な許容差や変形を実現するのは困難です。
私たちの技術に最も似ていて比較できる技術は、実は英国のクランフィールド大学の技術です。彼らも私たちと同じようにアーク積層造形法を使用していますが、違いは層を堆積させた後にロール加工を行うため、プロセスの効率が悪く、全体的に不均一になるという点です。溶解と鍛造を同時に行うことで、非常に均一な超微細等軸結晶が得られます。今年はクランフィールド大学のウィリアムズ教授も当社を訪問されました。彼は、当社の方法は効率とコストの面で彼らの方法より優れているが、彼らの冷間圧延技術の方が安定していると考えています。実際、私たちは技術的な困難を克服しており、2つの方法の安定性は同じです。

張海欧、武漢華中科技大学：高級鍛造品のマイクロ鋳造および鍛造複合付加製造

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