張海欧：高級鍛造品のマイクロ鋳造・鍛造複合付加製造、主要設備のブレークスルー

2018年11月27日〜28日、激しい競争の末、ロードショー審査の最終候補に残った36件のプロジェクトの中から、市場開拓の見込みがある革新的な付加製造プロジェクト15件が審査専門家の支持を得て、最終審査への出場権を獲得しました。

厳格な初期評価の後、36 件のプロジェクトがロードショーの再評価段階に入りました。そのうち 31 件は中国から、5 件は海外からのプロジェクトでした。参加チームの代表者は、ロードショーレビュー中に素晴らしいプロジェクトプレゼンテーションを行いました。これらのプロジェクトは、さまざまな業界で直面する問題を対象とし、プロセス、新素材、テクノロジー、アプリケーションソフトウェア、エンジニアリングソリューション、トポロジー最適化設計などのソリューションを提供し、国内の3Dプリントの発展にさらなるインスピレーションと機会をもたらしました。このロードショーレビューにより、国内外の 3D プリントプロジェクトのためのコミュニケーションプラットフォームが構築されました。参加チームの中には 3D プリントしたオブジェクトを持ち込んだものもあり、審査員と観客は 3D プリントの技術的成果を間近で体験することができました。
△武漢天宇情報局。 2017年6月、アンタークティックベアは武漢の天宇智能製造有限公司を訪問し、3,000平方メートルの金属3Dプリント工場を視察しました。工場内には高さ10メートルを超える大型金属3Dプリンターが2台あるほか、レーザークラッディング装置もあり、かなり衝撃的です。 2台の大型金属3Dプリンターは世界初の「インテリジェントマイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合付加製造」設備であると理解されている。これらで製造された金属部品は、12レベルの超微細粒度を持ち、鍛造品レベルに達する性能と品質を備えており、鍛造グレードの金属3Dプリントと呼べる。

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
担当者：張海欧<br /> 華中科技大学の博士課程の指導者、デジタル製造設備・技術国家重点実験室の金属 3D プリントの学術リーダー、中国付加製造産業連盟の学術委員会メンバー、武漢天宇智能製造株式会社の主任科学者。

張海欧：高級鍛造品のマイクロ鋳造および鍛造複合付加製造。

△ 張海欧教授が3D技術で印刷した金属部品を披露。撮影：張宋

1. 発明の背景
周知のように、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などはすべて鍛造品です。古代から鋳造してから鍛造し、形状、品質、性能を分散的に完成させてきました。現在、この技術では複雑な高級鍛造品を一体的に製造することはできません。我が国の主要なニーズと背景から見ると、航空エンジン、大型航空機、動力プラットフォームはすべて国家の主要な設備ニーズです。この種の設備には、高い信頼性と軽量化が求められます。高級鍛造品には、高い強度と靭性、高い疲労寿命が求められます。鍛造品の年間需要は2,000億人民元を超え、現在90％以上が輸入されています。着陸装置の発注サイクルは3年と長く、価格も高価です。

このような高級鍛造品に従来の製造技術を使用する場合の制限は、多くのステップが含まれ、それらが分散しているため、プロセスとサイクルが非常に長くなることです。さらに、各種大型設備は成形の不均一性により歩留まりが常に低いという問題がありました。成功率は高くなく、大型鍛造機の使用は高価で、エネルギー消費と材料損失が比較的高く、このプロセスは汚染が非常に多いです。鋳造により形状が得られ、鍛造により品質が得られるため、製品の適応性が低く、加工技術上の制限により、複雑な形状や傾斜材料の部品を全体的に製造することができません。

積層造形技術は現在では工程の短い製造技術となっていますが、製造工程中に熱間鍛造を行わないため、組織に異方性欠陥が多く、性能が低く不均一となり、回避が難しく、強くて靭性のある鍛造品を得ることが困難です。また、点ごとの堆積形成の効率は高くなく、粉末や高出力のレーザービームや電子ビームの使用により、非常に高いコストがかかる場合が多くあります。

大きな難点は、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、また、付加製造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です。そのため、疲労寿命の高い高級鍛造品を短い工程で製造する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。

張海欧氏は1998年に日本から華中科技大学に赴任しました。約20年間の努力の末、この技術を発明するまでの20年という歳月を費やしました。現在、複合材積層造形技術は積層造形開発の最前線を含む先進的な製造技術であるべきです。武漢天宇智能有限公司は、電気アーク、プラスチック加工、CNC加工の利用において多大な貢献を果たしてきました。これは国からも強力な支持を受け、ハイエンド機器における我が国の弱い自主革新能力のボトルネックを打破しました。

2. 発明の主なポイント
当社は原理的に革新を起こし、非平衡加熱凝固、固体変形、再結晶化の熱力学的プロセスのマクロおよびミクロメカニズムの研究に基づいて、同時鋳造と鍛造、統合フライス加工を超短時間プロセスで組み合わせることで、複雑な形状と高性能を並行して作成する新しい方法を発明しました。

技術転換、時空間制御可能な多重エネルギー場複合作用による鋳造、鍛造、焼き入れ一体化の発明、均一鍛造等軸結晶大型一体複合鍛造品の新技術の革新。設備の発明、コンパクトな可変警報マイクロ鍛造機構を発明し、形態欠陥の現場検出および修復システムを統合した新しい設備により、複雑な鍛造品の高信頼性を実現しました。

具体的な発明ポイント：

鋳造と鍛造を組み合わせた高級鍛造品を製造する新しい方法。
アークヒューズが溶融池を形成し、マイクロ鍛造機構が凝固したばかりの領域を熱いうちに連続的に鍛造し、鋳造と鍛造を組み合わせて均一で緻密な鍛造微細構造と特性を実現します。
マイクロ鍛造とフライス加工は欠陥のない製造と一致し、その場で検査され、オンラインで欠陥をフライス加工できるため、同時の付加的なマイクロ鋳造 - 同等の材料のマイクロ鍛造 - 焼入れおよび焼戻し処理が実現され、同じワークステーションでサブトラクティブフライス加工が統合され、欠陥のない製造が実現されます。

まず、トポロジー最適化を実行し、次にパス最適化を実行して、新しいインテリジェントなパス計画を実現します。鋳造鍛造機構により成形を制御し、プロセスを監視し、欠陥が発見された場合は修復し、最終的にマイクロ鋳造鍛造多軸協働成形処理を実行して高級部品を得ます。

シミュレーション研究を通じて、複合成形により自由な成形が可能になり、割れの傾向を軽減できることが分かりました。

発明ポイント2：高級鍛造品の鋳造と鍛造は新しい製造プロセスに適合しています。鋳造しながら鍛造し、高温鍛造により動的再結晶化を実現し、超微細等軸結晶を得ています。材料の微細鋳造と鍛造の一連の新しいプロセスが発明されました。この図から、左端は鋳造チタン組織、中央は従来の鍛造等軸結晶、右端は均一で微細な12レベルの超微細等軸結晶であり、高級鍛造品の組織性能を実現していることがわかります。

Austeel、右側はマイクロ鋳造鍛造複合未処理組織状態で、まだ熱処理されていません。その可塑性と靭性は鍛造品よりも優れており、衝撃靭性は単一の研削成形の3倍以上です。

高温合金、マイクロ鋳造、鍛造複合材、圧延圧力とマイクロ鍛造温度を制御して構造を得ます。左端は単一構造、真ん中は従来の鍛造構造、右はマイクロ鋳造と鍛造の混合構造です。鍛造と比較すると、強度、可塑性、伸び、収縮、衝撃靭性は従来の鍛造よりもはるかに高くなります。

チタン合金は粗い粒子と等軸結晶を持ち、マイクロ鋳造と鍛造により、その強度、可塑性、靭性は従来の鍛造よりも優れています。

マイクロ鋳造、鍛造、フライス加工を組み合わせた超短フロー製造用の新設備。巧妙なマイクロ鍛造機構が発明され、溶融ベースに同期して作用し、1,000 トン未満の圧力でマイクロ鍛造を実現しました。これは、80,000 トンの鍛造効果に相当します。その中で、その場での検出と修復が行われ、超音波と渦電流の複合その場検出装置が発明され、欠陥を発見した後、欠陥を除去して修復し、欠陥のない状態を実現します。さらに、動的計画が実行され、最小限の過剰で正確な成形を保証するオンライン動的成形パス計画システムが開発されています。これは低コストの要件です。

上記装置の統合により、超短工程でマイクロ鋳造、鍛造、フライス加工を組み合わせた世界初の大型製造装置が開発され、高圧マイクロ鍛造品の加工が可能となり、1台の装置で超短工程で高級鍛造品を直接製造するという革新的な創造を実現しました。これが当社の設備です。右側はチタン合金成形用の密閉型設備です。

これは私たちが取得した知的財産と論文の研究です。これは、米国の積層造形に関する国際的権威であるウォーラーズによる 2017 年のレポートです。このチームは、鋳造、鍛造、フライス加工のプロセスを発明しました。有名な雑誌が明確に指摘しているように、私たちのチームのマイクロ鋳造、鍛造、圧延の現場同期複合製造技術はこの種のものとしては初めてであり、英国クランフィールド大学のアーク強化および冷間圧延分布技術とは異なります。

さらに、チタン合金の代表的なプロセスで得られる破壊靭性を比較すると、平均破壊靭性は国内外の従来の従来のタレント強化プロセスよりも優れており、従来の鍛造よりも優れています。損傷許容度は従来のものより 1 桁低くなります。これはGE社のテストレポートです。パフォーマンスはGE社の鍛造指標と他の有名な製造機関のサンプル指標を上回っています。

本発明の経済的利点：鋳造と鍛造を同時に行い、鋳造と鍛造を同時に行いながら12レベルの超微細等軸結晶を得る。超短プロセスは従来のモデルを変え、1つの装置で高級鍛造品を製造する新しいモデルを確立した。また、高効率で低コストであり、価格も比較的低く、環境に優しく省エネである。従来の方法と比較すると、従来の自由鍛造と型鍛造は多くのエネルギーを消費し、深刻な汚染をもたらす。実際の測定により、省エネは90％を超え、グリーン指標を達成した。アプリケーションの場合も同様です。

申請状況：全体の製造は完了しています。これは AVIC エンジンの一部です。時間の制約があるため、詳細は省略します。

経済と社会の利益：2023年の売上高は2.1億元に達し、利益は4965.8万元に達しました。これらは国内外での評価です。また、ジュネーブ中国発明金賞、中国発明協会特別賞を受賞しました。

概要：マイクロ鍛造とフライス加工を融合した新工法を発明し、多分野複合モデル作成と品質作成の並行製造理論を確立し、鍛造等軸微粒子を1つの装置で作成するなどの主要な技術的困難を克服し、高級鍛造品の付加製造のための世界初の新しいプロセス装置を開発しました。

その成果は、中国のハイエンド部品の超プロセス製造モデルを確立し、中国のハイエンド設備の自主研究開発と西側諸国に対する飛躍的発展を支え、伝統的な製造業の変革とアップグレードを推進し、中国の中核的なハイエンド製造技術と設備能力を強化しました。

——コメント——

司会者：張海欧教授、素晴らしい講演をありがとうございました。専門の審査員の方々にコメントをお願いします。

沈鎮：張教授、私はあなたの業績に非常に興味を持っています。なぜなら、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であり、非常に重要なプロジェクトでもあるからです。私が仕事を始めたとき、最初にやったことは疲労試験でした。それは大きな鍛造品でした。あなたのものは最大でどのくらいの大きさになるのでしょうか？

張海欧：設備の製造能力ですね？

シェン・ジェン：はい。

張海欧：現在は4メートルくらいで、2メートルは半度で、高さも2メートルです。この方向ならできます。

沈鎮：大型鍛造品には疲労寿命という非常に重要な問題がもう一つあります。私は疲労耐性について調べました。

張海欧：当社の技術は電気アークとプラズマアークを使用しているため、冶金プロセスが非常に完全です。靭性や疲労性能の面では、他の技術よりも優れた性能と利点があります。当社のテストによると、疲労性能と損傷許容度の面では、確かに従来の技術や他の技術よりも優れています。これが当社の技術の特徴です。強度の面で特に優れているわけではありませんが、可塑性、靭性、疲労性能に大きな利点があります。データがあります。

Chen Zhiping: 私はコストのほうに興味があります。御社の技術を使って製品を製造した場合、従来の鍛造に比べてどのくらいのコスト削減ができるか、大まかな割合を教えていただきたいです。

張海欧：エネルギー消費量に関して言えば、従来の着陸装置とAVIC着陸装置の実測を行った結果、70％以上を節約できることがわかりました。現在、この技術を使用して着陸装置を製造する国防プロジェクトがあります。従来の技術と比較すると、当社の技術のエネルギー消費量は10％未満です。これは比較的明らかな結果です。また、プロセスの観点から見ると、3Dプリントと鍛造は同時に行われ、3Dプリントが完了するとプロセスが完了します。世界の他のチームのように別々になっているわけではありません。ほとんどのチームは別々です。私たちにも利点があります。さらに、最も安価な熱源である電気アークを使用します。一般的に言えば、コストは会社秘密であり、型鍛造よりも高くなることはありません。

陳志平：私たちは伝統的な鍛造に馴染みがあり、それは3次元ですが、あなたの鍛造は1次元だけです。

張海欧：3次元化も可能です。万能圧延機のような装置があり、ロボットはあらゆる方向に移動できます。利点は、成形プロセス中に3次元の圧力状態になり、パフォーマンスが大幅に向上することです。

陳志平：設備投資の規模はどのくらいですか？

張海欧：こう言いましょう。アメリカのCT社は電子ビームを製造しており、その成形サイズは当社と似ており、コストは500万ドルだと主張しています。当社の能力は彼らの能力をはるかに上回っていると思います。これは電子ビーム成形であり、このような鋳造鍛造品の鍛造も含まれます。前回GEの社長がこの件について尋ねたとき、私は少なくとも海外では彼らのものより安くすべきではないと言いました。

陳志平：タイトルには商業的な適応性があります。

張海欧：中国では、あらゆる面における性能と比較において、当社の価格性能比は最高であるはずです。

張家鎮：PPT では、C919 航空機に対する多くの要件について触れられています。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。安定性を評価しましたか?内部およびテストについてはどうですか?

張海欧：これは簡単な仕事ではありません。これは私たちが努力しなければならない方向です。耐空性は一回では達成できません。10回以上も必要です。私たちはこの仕事を達成しなければなりません。現在進行中です。しかし、私たちは複合プラスチック加工を持っているので、プラスチック加工は継続的に性能を向上させ、材料の損失を引き起こさないため、3Dプリントとの最良の組み合わせであると信じています。プラスチック加工のおかげで、現在は比較的安定していますが、データはまだ十分ではありません。飛行可能な状態にするには、まだ多くの実験が必要です。航空製品の実現にはまだプロセスが必要です。

張家鎮：私たちがさらに懸念しているのは、御社の設備が比較的大きいことです。航空エンジンの分野では、実際には比較的小型で精巧です。確かに飛行機での使用に適しています。飛行機の大型のものには、より明らかな問題があります。印刷後、溶接技術が向上しているため、表面仕上げが向上しています。下地に伝統的なフォームを使用している場合は、鍛造または叩き加工すれば、どのような形状にしても問題ありません。しかし、トポロジー最適化を使用する場合、トポロジー最適化後の表面の滑らかさを実現することは依然として難しい問題です。奇妙な形状の場合、将来的にこの技術（ベース）をどのように考慮するか、調整されているかどうか、疲労寿命が揃っているかどうか。（ベース）が標準に達していない場合、成熟度が低下します。

張海欧：これは今年フランクフルトで見た他国の製品です。魚の鱗のような形をしています。複合塑性加工のため、許容差と表面品質を1mm以内に制御する必要があることを強調したいと思います。塑性加工があれば、完全に制御できます。塑性加工がない場合、シミュレーションはありますが、実際の状況との間に一定のギャップがあります。形状と表面品質が大幅に改善されるはずです。形状精度の目標は、許容差である1mm以内に制御されています。

張家珍：また、この技術をご自身で評価してください。ノルウェーチタン社やエアロスペース211社と比べて、どのような利点がありますか？

張海欧氏：（クリーフェルドの）技術は私たちの技術とほぼ同時期に登場し、私たちは発明特許を取得しています。（クリーフェルドの）技術は別々に進行します。1つの層が完全に印刷されたら、次の層をロールアウトします。この方法では、同時に行うため、私の方法の2倍の時間がかかります。3Dプリントが終わったら、完成です。さらに、熱成形中に鉄が熱いうちに叩くため、非常に細かい等軸の斧が得られます。ウィリアムズ教授も今年は来ています。彼は、効率とコストの面で私たちの方法が彼らの方法より優れていると考えています。彼らの冷間圧延技術は比較的安定していますが、私たちはすでにそれを克服しています。私たちの鍛造は非常に安定しており、コストと効率は同等です。（ノルウェーチタン）この会社はプラズマを使っています。以前プラズマをやったことがありますが、当時は粉末を使っていて、粉末は高価なのでやめました。今は確かに少し遅れています。ワイヤーを使っています。コストの面では、原理が似ているので、設備は今のところ比較的高価で、コストも後から似ていますが、性能は絶対にそれより低くないということが1つあります。鍛造がありますが、複合塑性加工がないので、許容差や変形が非常に正確に出にくいということです。 1mm以内で制御できると言えますが、これは彼らにとって非常に困難です。

張家珍：貴社は溶接技術分野に属しているので、私の理解が正しくないかもしれませんが、コア部品は基本的に国産化できるという点が貴社の強みだと思います。

張海欧：はい。溶接機は海外製の方が少し安定しています。レーザーは完全に海外に頼っているので国産のものも使えます。両方やりたいですね。すでに企業と共同でプラズマの研究開発を開始しています。

沈鎮：部品を打ち抜き、疲労試験を実施します。
張海欧：GEのためにこの疲労試験を実施しました。GEの鍛造品の性能はあらゆる面でこれを上回り、ほとんどが平均レベルを超えました。米国でも試験しましたが、合格しませんでした。

司会者：張教授、どうもありがとうございました。この18年間の先生の功績は本当に素晴らしいです。