3Dプリント技術と鋳造における応用状況と発展の見通し

従来の鋳造生産は、設計 - 金型 - 成形 - 注入 - 洗浄 - 後処理 - 機械加工です。 3D プリントの科学的な名称は、付加製造技術です。その動作原理は、コンピューターで設計された 3 次元モデルを複数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」材料を 1 層ずつ重ね合わせ、最終的にそれらを「積み重ねて」完全なオブジェクトにすることです。
1.1 現在の主な応用分野 現在、3D プリンティングは主に次の 3 つの側面で使用されています。
大量消費（デスクトップレベル）、産業レベル、バイオエンジニアリングレベル。
①大量消費（デスクトップレベル）。工業デザイン、工芸デザイン、ジュエリー、玩具、文化的創造などの分野で使用されます。
②工業グレードには2つの側面があります。1つはプロトタイプ製造で、主に金型、モデルなどの業界で使用されます。 2つ目は、大型金属構造物や小型金属部品の直接製造を含む製品製造です。
③バイオエンジニアリンググレード。臓器、骨、歯、細胞、軟組織などの印刷など。

1.2 3Dプリンティング技術と産業の現状① 欧米における3D研究と産業化米国では、3D プリンティング技術が最初に産業化され、Stratasys と 3D Systems の 2 つの大手企業が NASDAQ に上場しています。 2013年8月16日、「国立付加製造イノベーションセンター」がテープカット式典で開設されました。欧州連合も3Dプリント技術を支援する財団を設立し、ノッティンガム大学、シェフィールド大学、エクセター大学に3Dプリントセンターを設立した。
②国内3D産業の現状。国内の3Dプリント業界は学術部門と市場部門に分かれています。学術機関には主に清華大学、西安交通大学、華中科技大学、西北工業大学、北京航空航天大学などの大学が含まれます。市場グループには主に、南京紫金利徳、湖南遠俊高科技、無錫ファルコン、杭州仙林、AVICレーザー、武漢浜湖などが含まれます。
③中国3Dプリント技術産業連盟。 2012年10月15日、アジア製造業協会、北京航空航天大学、華中科技大学、清華大学などの権威ある科学研究機関と大手3D産業企業が共同で立ち上げた中国3D印刷技術産業連盟が北京で設立されました。これは世界初の3D印刷産業連盟であると主張しています。 ④世界3Dプリンティング技術産業連盟。 2013年5月29日、中国3D印刷技術産業連盟、英国3D付加製造連盟、米国Exone、ドイツEOS、米国3DStratsys、ベルギーMaterialise、英国ChocEdge Ltd、米国ドレクセル大学、シンガポール南洋理工大学機械航空工学学院などの科学研究機関や企業が共同で世界3D印刷技術産業連盟を立ち上げました。第2回世界3Dプリンティング技術産業会議および2014年世界3Dプリンティング技術博覧会は、2014年6月19日から22日まで青島で開催されます。

1.33D技術の応用展望 CNKI、VIP、その他のプラットフォームを通じて、3D に関する非常に興味深い論文を多数見つけました。しかし、基本的にこれらはすべて、3D テクノロジーと、医療、金型、建設などにおけるその応用事例に関する一般的な知識です。資本市場も非常に活発ですが、賢明なベンチャーキャピタリストは非常に慎重です。一般的には次のように考えられています。

①3Dプリンティングは、少なくとも従来の製造業を完全に置き換えることはできません。 3D プリントで何ができるのでしょうか?アメリカやヨーロッパの 3D 企業の名前はわかりません。そうでなければ、世界3D産業会議やCCTVの特別番組で、3D印刷技術を使ってギター、電子キーボード、電気スタンド、銃などを印刷すると自慢することはなかったでしょう。数千年にわたる蓄積と発展を経て、伝統的な製造業は非常に完成度が高く成熟しています。プロセス特性、コスト要因、材料要因のいずれにおいても、3D印刷技術は比類のないものです。 3D プリント技術の本当の秘密は、何でもできるということではなく、従来の製造では不可能または困難な領域を 3D プリント技術を使用して簡単に実現できることです。

②個人消費。コストの問題とオペレーターの技術レベルにより、3Dアプリケーションにはゼロ閾値がないため、既存の技術では、ユーザーは水平展開のためにさまざまな原材料とコストを準備する必要があり、これは間違いなく困難であり、市場規模を形成することは困難です。鍵となるのは、アプリケーション市場をいかに開拓するかであり、ユーザーを育成する必要がある。そのため、家庭用3Dプリント業界が短期的に勢いを増すのは難しいでしょう。

鋳造における3Dプリント技術の現状の概要
3D プリンティングは、主に砂型の迅速な製造と金属製品の直接印刷において、鋳造においてすでにいくつかの用途があります。また、欠陥修復（レスキュー）にも一定の用途があります。

2.1 3D技術の原理を使用して、金型不要の精密砂型を迅速に製造する 中国鋳造協会のウェブサイトによると、2014年5月に北京で第12回中国国際博覧会が開催された。「3Dプリントとデジタル無型鋳造精密成形技術」では、「北京瑞紅翔宏達科技集団、北京北恒力科技開発有限公司などが3D砂型/砂中子プリンターや各種レーザー粉末焼結ラピッドプロトタイピング3Dプリンターを展示する」と述べ、現在3Dプリント技術の原理を利用して無型砂型を迅速に製造するいくつかの技術をまとめた。

①レーザー焼結SLS。コーティングされた砂を使用して粉末を層ごとに広げ、レーザーを使用して粉末を固めます。
②中国の金型レス鋳造製造技術PCM。 3Dプリントヘッドがバインダーを噴射し、インターフェースプロファイル情報に従ってデュアルノズルを使用してバインダーと触媒を同時に噴射します。 2つの架橋により、製造された砂型に塗料を塗布して注入することができます。
③ 3Dプリントによる米国の直接砲弾鋳造DSPC。シェルの印刷にはセラミック粒子とケイ酸塩水溶液が使用されます。注ぐ前に焙煎する必要があります。
④Zcorp社。非鉄合金用砂型を製造するための3Dプリント。殻の厚さは12mmに達します。
⑤ExOneの3DP技術ProMetalRCT。成形材料として樹脂砂を選択。印刷速度は59400〜108000cm3/hに達します。
⑥Generis社のGSプロセス。樹脂は多チャンネルノズルを通して砂床に均一に噴霧され、触媒は砂型の輪郭に合わせて噴霧され、砂型を形成します。

2.2 レーザー立体形成技術 レーザー光造形技術は、レーザーを使用して金属粉末を溶かし、あらゆる形状の製品をほぼ直接「印刷」することができます。最大の特徴は、使用する素材が金属であり、「印刷」された製品は機械的性質が極めて高く、さまざまな用途に対応できることです。西北工業大学の凝固技術国家重点実験室は、長江学者の黄衛東氏が率いている。航空分野における 3D プリント技術の典型的な応用例は、国産大型航空機 C919 の中央翼ストリップの製造です。中央フランジは長さ3メートルで、チタン合金製の大型構造部品です。ノースウェスタン工科大学は、レーザー立体成形技術を応用して、C919航空機のチタン合金構造部品の製造問題を解決しました。ノースウェスタン工科大学の3Dプリント技術は、部品の修復においても独特です。航空宇宙部品は構造が複雑で高価であり、欠陥や欠陥が発生すると、部品全体を交換することしかできず、数十万元、場合によっては数百万元の損失が発生する可能性があります。 3Dプリント技術により、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。

鋳造における3Dプリント技術の応用と発展の展望
黄衛東教授は、3D プリント技術は中国の鋳造業界全体に「課題よりも多くの機会をもたらす」と考えています。同氏は、レーザー複合製造の分野では、市場の需要への適応能力を高めることができると述べた。模型や砂型の迅速な製造の面では、3Dプリントは新製品の開発速度を加速し、プロセス研究のコストとリスクを削減し、単品および小ロットの市場需要を満たすことができる。高性能修理の面では、ハイエンド鋳物の廃棄率を下げ、製品の進歩の要求を満たすことができる。直接製造と比較して、3Dプリント技術は「より複雑な構造、より高い性能、より速い応答速度」において大きな利点がある。しかし現状では、黄偉東氏は「これらの課題は現在の鋳造業界にとってまだ重要ではない」と考えている。重要な理由の 1 つは、3D プリントの原材料のコストが非常に高いことです。現在、アルミニウム合金のコストは 1 キログラムあたり 2 万元を超えます。「しかし、この新技術にはコスト削減の余地が大きく残されており、3Dプリント技術の今後の発展が鋳造業界にもたらす課題について、我々は明確な認識を持ち続ける必要がある。」

3.1 日本は次世代の高性能鋳造3Dプリンターの開発を計画している 日本は、経済産業省から30億円を投資し、産業技術総合研究所を筆頭に、早稲田大学、群栄化学工業、木村鋳造所、CMET、コイワイ、日産自動車、コマツなどと連携し、産学研の強みを生かし、共同参画・分業協力し、5年以内に現行の鋳造製造設備のコストを80％削減し、製造速度を10倍に高める高性能鋳造3Dプリンターを生産する計画だ。現在、大型の工業用鋳造金型の製造に 3D プリンターを使用する場合、速度と精度の点で欠点があります。日本で設計されている次世代鋳造3Dプリンターは、特殊な接着剤を繰り返し高速で噴霧して細かい砂を固定する技術の原理を利用して、短時間で複雑な形状の鋳物を形成する。

3.2 国家 863 プログラムにおける 3D プリントの主要支援方向「2014 年国家ハイテク研究開発計画 (863 プログラム) および国家科学技術支援計画の製造分野における代替プロジェクト収集ガイドライン」では、「複雑な部品と金型の製造のための大型レーザー焼結設備の開発と応用」について、「複雑な部品と金型の迅速な製造の需要に応えて、ワックスモデル、ワックスパターン、サンドパターン、ナイロンなどのプラスチック部品の製造に適した大型レーザー焼結設備を開発する。テーブルは 2 メートル × 2 メートルで、部品の精度は ±0.1% 以内に制御され、スタッキング効率は 1000cm3/h 以上です。関連する技術標準を開発し、自動車、金型などの業界の製品開発に適用します。」と規定されています。

鋳造における 3D プリント技術の応用は、砂型、鋳型、鋳物の製造と修復に重点を置いています。中国と日本の開発ガイドラインから判断すると、両国とも大規模な鋳造3Dプリント技術の開発を選択しました。しかし、中国と日本の技術ルートは異なります。日本の技術ルートは砂とバインダーの層状ブラストを使用するのに対し、中国の863プログラム申請ガイドラインではレーザープリント鋳造を使用しています。彼らの取り組みの共通の方向性は、規模を拡大し、精度を向上させることです。 3Dプリントに代表されるデジタル化、人工知能による製造、新素材の応用を特徴とする第三次産業革命は、人類の生活に革新的な変化をもたらすことは間違いない。これは発展途上国が先進国にできるだけ早く追いつくための良い機会でもある。

著者: Fu Jun、Yin Guofu (四川大学製造科学技術学院)、Wang Zezhong、Fang Hui (四川工科職業技術学院材料工学科)

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