深圳：3Dプリントの産業化への道 - 炭素繊維の産業化プロセス

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の記者会見が8月8日、北京自動車博物館の記者会見場で行われた。主催者は、このコンペティションの開催を通じて、最先端の画期的な技術である3Dプリント付加製造の発展と、それが業界にもたらした変化と変革を伝え、紹介したいと望んでいる。この機会を利用して、業界の専門家を招き、この技術のさまざまな分野への応用、それがもたらした変化、そしてその長期的な影響を解明し、継続的な対話と統合を促した。
このイベントに出席する専門家の多くは、革新的な技術の開発を促進するリーダーです。

沈珍さん<br /> 沈振氏は、ロンドン大学インペリアル・カレッジのドイツ航空宇宙研究所やイタリアのトリノ工科大学など、海外の著名な研究機関で複合材料力学の研究に従事してきました。40年以上にわたる科学研究活動の中で、国防に関する重要な事前研究プロジェクトの責任者を務め、現在までにほぼすべての航空機複合材料の開発に参加しました。

鄭成功氏<br /> 鄭成功氏は北京航空航天大学の教授です。台湾（楊林）大学人工関節研究開発センター所長、楊林大学研究開発部研究開発ディレクター、台湾整形外科研究会会長、世界バイオメカニクス学会会長、世界中国バイオエンジニアリング学会事務局長を歴任。整形外科、バイオメカニクス、整形外科インプラントの分野で約30年の研究経験を有し、その研究成果は画期的かつ基礎的なもので、国際的に大きな影響力を持っています。

蔡波氏<br /> 蔡波氏は現在、シーメンス産業ソフトウェア開発を担当しています。それ以前は、CAD、CAM、PL業界で約24年間勤務していました。継続的な専門能力開発の中で、製造業で豊富なスキルと経験を積み、今日の製造業のデジタル変革に尽力してきました。）

記者会見では、3人の専門家が、今日3Dプリント積層造形技術と呼ばれるものの要素を、材料、応用、ソフトウェア、設計など、さまざまな側面から紹介しました。次に、各自の取り組みと研究分野から始めて、この技術の発展動向、応用展望、最先端の研究と成果、そしてさまざまな分野の変革とアップグレードにもたらす革新的な原動力について基調講演を行います。

中国複合材料協会名誉理事、SAMPE北京支部副会長、江蘇恒神株式会社シニアアドバイザーの沈震氏が、炭素繊維の産業化プロセスの観点から3Dプリントの産業化について講演します。
以下は沈震氏のスピーチの記録です。

私は3Dプリントの傍観者で、実際に携わったことはありません。3Dプリントは非常に有望だと感じていますが、この分野の専門家ではありません。カーボンファイバーの応用については少し知っています。カーボンファイバーの応用と開発に関する私の経験についてしか話せません。3Dプリントのような新しい技術の将来の開発に何かインスピレーションを得られることを願っています。私自身の気持ちをお話ししましょう。

なぜなら、今や誰もが 3D プリントに非常に関心を持っており、急速に発展していますが、大きな問題もあります。誰もが 3D プリントは非常に高価だと考えており、人々にそのような印象を与えています。大規模に使用できるのでしょうか?もちろん、よくわからないこともたくさんありますが、航空宇宙分野での応用についてはいくつか聞いたことがあります。航空宇宙分野では、特に軍用機の研究開発に応用できると言われていますが、これは許容範囲ではあるものの、非常に高価です。ですから、それが国全体の産業発展を促進する上で大きな役割を果たす技術になるかどうかは、まだ長い道のりがあるのではないかと思います。本日は、このレポートを依頼されました。私がお話しできるのは、カーボンファイバーの工業化プロセス全体についてと、3Dプリンティングが将来どのように発展していくかについてです。

誰もが知っているので、カーボン繊維の利点について話す必要はありません。実際、カーボン繊維複合材料は3D印刷で使用される材料の1つですが、短い繊維にはいくらかの進歩がありましたが、連続繊維3Dプリントが実際に適用される方法は、想像力が困難です。 IC新しい材料は、炭素繊維の適用です炭素繊維は、特に鉄道輸送と自動車の分野では間違いなくあります。

国産の炭素繊維が解決できなければ、チップの始まりと同じです。私たちも同様です。数十年の開発を経て、外国の炭素繊維が大量に使用され、非常に使用されています。国内では外国の製品を購入できず、国産の炭素繊維は発展していません。幸いなことに、今世紀の初めにいくつかの教訓を学びました。軍用機に使用される炭素繊維は購入できず、国内で開発を始めました。現在、中国は軍用機用の炭素繊維の自給自足を実現できますが、将来、鉄道輸送や自動車に大量に使用されるようになったとき、海外から購入できるため、国内で開発しておかなければ、将来、ある程度のレベルに達したときに大量に使用する必要があるときに、海外から購入する必要があります。いつでもブロックされれば、ZTEのチップの痛みとなり、再び発生します。そのため、国産炭素繊維の応用をいかに産業化するかについて多くの議論が行われています。

その利点は言うまでもありません。一つは、耐久性が高く、軽量化に適した素材であることです。また、材料設計は、耐疲労性や耐腐食性にも非常に優れています。利点は明らかです。しかし、海外、特に民間航空機におけるこのような材料の応用は、多くの過程を経てきました。軍用機ではコストが問題にならないため、当初は受け入れられ、軍用機は非常に早くそれを採用しました。たとえば、機体構造全体の50％は炭素繊維で作られています。軍用機はコストが問題にならないため、それができます。しかし、民間航空機が炭素繊維を使用する際にはコストを考慮する必要があり、コストへの道のりは比較的長いです。そのため、最初に使用された1970年代から30年代までの長い期間、10％しか使用されませんでした。50％を使用するのは難しすぎます。翼や胴体に炭素繊維を使用することの最大の問題は、高価すぎるため、使用できないことです。米国は、このプロセスに関して多くの計画を実行し、40年間にわたって段階的に取り組んでおり、翼や胴体に適用しています。コストの削減に大きく貢献しています。米国は10年ごとにいくつかの計画を立てており、これらの計画には信頼性、技術、コストの3つのレベルがあります。この計画の核となるのは、手頃な価格の複合材料を使用することであり、カーボンファイバーの核となる部分には「手頃な価格」という言葉が貫かれています。私が話しているのは、付加的な3Dプリンティングが産業的に応用できるかどうかです。私はこのことを鄭教授と議論しましたが、3Dプリンティングの産業化は依然としてこの3つの言葉にかかっています。

2009年12月15日、ボーイング787型機が発売されました。目立った特徴は、目に見える部品のほぼすべてがカーボンファイバーで作られていることです。構造重量の50％はカーボンファイバー複合材料です。もちろん、内部の着陸装置は金属製ですが、目に見える部分は基本的にすべてカーボンファイバーです。これを実現するのに40年かかりました。1978年に英国を訪問したとき、英国の軍用機の胴体全体がカーボンファイバーで作られ、使用できました。しかし、これは民間航空機では機能しません。40年経った今、この利点のコストは言うまでもありません。

実は、これは非常に重大です。当時、米国下院の両院は専門家を特別に組織して議論しました。実際、炭素繊維の市場販売はゆっくりと成長しています。この問題のせいで、今、我が国ではこの問題に直面しています。外国も最初はこの問題に直面していました。炭素繊維は高価すぎるため、原材料のコストが高いことが原因であることが多いです。3Dプリントにもこの問題があると思います。3Dプリントは良いのでしょうか？高すぎる。効果があるかもしれないけど、使うべきでしょうか？材料コストは実際には複合部品の総コストの8％～10％を占めるに過ぎません。実際、プロセス製造コストは総コストの中で最も高い単一コストです。過去には、性能要因が航空宇宙における複合材料の応用研究を推進していましたが、近年ではコストがより大きな役割を果たしています。したがって、次世代の民間輸送機技術を開発するための基本的な基準は、低コスト製造の可能性です。委員会は、近い将来、低コストの製造プロセスの継続的な開発に向かう傾向にあると考えています。先ほどのコスト分析では、コストの 70 ～ 80 パーセントが材料費ではなく製造プロセスコストであることがわかりました。

もちろん、現在は主に航空宇宙用途に集中しており、下流の用途は産業分野にあります。産業用途の拡大傾向は、コストが下がるにつれて、利用できるアプリケーションがますます増えることです。そのため、現在は航空宇宙用途は基本的に適用されていますが、次の鉄道輸送、豊台工業団地の鉄道輸送も重要な産業です。私は近年、鉄道輸送にも取り組んでいます。地下鉄車両を作りました。長さ19メートルの地下鉄車両はカーボンファイバーで作られています。もちろん、今はコストが少し高くなりますが、作ることができます。信頼問題は解決し、2つ目の技術も獲得しましたが、もちろんそれだけでは十分ではありません。 3 番目のコストについては、現在も作業が必要です。もちろんコストは増加しているが、地下鉄車両1両あたり100～80キログラムの炭素繊維を使用する見通しに問題はない。車の場合は100％当てはまらないかもしれませんが、車には数十キログラムの炭素繊維が使われています。コストが下がれば、この見通しは達成可能です。その頃には、現在の世界の炭素繊維生産量は数万トンに過ぎず、数十万トンの炭素繊維では十分ではないかもしれません。コストが下がれば、この見通しは達成可能です。

この問題に関しては、3Dプリントの産業化への道は依然として同じ問題です。ちょうど鄭教授とこの件について話しました。飛行機に使われるチタン合金は3Dプリントされていると聞きました。3Dプリント後の強度には問題ないのですが、疲労性能はどうでしょうか？もちろん、今はまだ問題もあります。作れるかもしれないけど、粗悪品だったらダメ。だから、まず解決しなければいけないのは安全性の問題、つまり信頼の問題です。第二に、それを入力するには技術が必要です。第三に、技術が利用可能になったら、どうすればそれをすべての人に受け入れてもらえますか?もちろん、カーボンファイバーのように大量に適用されるわけではないかもしれません。3Dプリントはよりパーソナライズされる可能性があり、パーソナライズされたアプリケーションも他のものとは異なっている必要があります。たとえば、生物学的アプリケーション用の歯を作る場合、1つずつ手作業で行うため、少なくとも手作業よりも安価でなければなりません。必ずしも大量生産する必要はありませんが、パーソナライズも安価でなければなりません。このようにしてのみ、真の意味で産業化できます。

また、連続炭素繊維複合材料の3Dプリント。炭素繊維が大量応用のために工業化できるかどうかは、現在、プロセスコストの削減に大きく依存しています。連続繊維炭素繊維、炭素繊維には金型を含む繊維材料コストが含まれます。私たちは炭素繊維で多くのものを作ってきましたが、その大部分は金型にあります。3Dプリントはこの問題を解決できますか？それは国産炭素繊維の工業化に新たな道を開くことができますか？

以上です。ありがとうございました！

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