学術委員Lü Jian: 3Dプリンティング+原理準備、性能統合、航空宇宙への応用

2018年1月5日、上海付加製造協会の支援を受け、中国航天科技集団とハルビン市人民政府が主催する第1回中国（ハルビン）航空宇宙3Dプリント材料および応用準備技術博覧会およびサミットフォーラムがハルビンで盛大に開幕しました。

フランス国立技術アカデミーのLu Jian会員が「3Dプリンティング+原理準備、性能統合、航空宇宙への応用」について基調講演を行いました。

「積層造形は、アメリカの製造業計画の5つの要素の1つです。積層造形とバリューチェーン、設計、材料、技術は、アメリカの製造業計画の5つの要素です。最高のバリューチェーンを実現するにはどうすればよいでしょうか。特に積層造形の分野では、金製品などの材料を見ると、金のバリューチェーンはすでに非常に高価です。材料自体は1グラムあたり300元です。金属線にすると、中国はそれを輸入しますが、これは金自体の価格の数倍です。航空宇宙用の金属ガラスや一部の反射板にすると、価格は10倍以上になります。この観点から、材料と技術に加えて、設計も非常に重要な要素です。まとめると、最高の付加価値を実現するには、独自性が必要です。2番目に、非常に優れていて最高でなければなりません。3番目に、破壊的でなければなりません。技術的な結論は、これらの3つの特徴を備えている必要があります。「ご存知のように、3Dプリンティングは1986年から存在しています。その開発は3〜5年前に突然大幅に加速しました。これは産業チェーンから見ることができます。1995年にはわずか30億ドルでしたが、2010年頃から大幅に増加し始めました。昨年は600億ドルに達しました。」

呂建院士は1994年に3Dプリンティングの研究を始め、1998年から2002年にかけて表面および応用工学設計に関するEUプロジェクトを率いました。3Dプリンティングの核心課題は材料のプレストレスであり、それを直接考慮に入れる方法がEUプロジェクトの主な研究方向です。 2つ目は、設定時に製造、材料選択、全体構造の変形を同時に考慮しながら、並行エンジニアリング研究を通じて設計プロセスを短縮し、研究サイクルを大幅に短縮する方法です。 2番目に重要なのは技術データの交換です。飛行機を作るにしても、航空設計をするにしても、部品の数は数百から数万になる可能性があるからです。現在、3Dプリントによってその数は大幅に削減されましたが、最も重要なのは、これらのサプライヤーといかにして間違った情報を持たずに迅速に交換するかということです。3Dプリントでは、設計者のソフトウェアと製造が一致しないと、結果が間違ってしまうからです。 56のEU企業が参加するもう一つのEUプロジェクトは、航空機部品のデータ交換の標準に関するものです。コンピュータ支援設計図からグリッド、計算、寿命予測まで、全体的なデータ標準を確立することで、製造および研究開発のプロセスが本当に短縮されます。

3D プリントスクールは数多くあり、それぞれに異なる 3D プリントシステムを採用していますが、製品設計の分野も異なります。私たちはさまざまな新しいデザインの 3D プリント構造物を作成します。このように、3D プリントの新技術を効果的に利用して、さまざまな構造やさまざまな特性を生み出し、特殊な特性を持つ材料や構造を完全に生産することができます。航空宇宙部門は何をしているのですか?彼らは破壊的な仕事をしている。

まず、航空機エンジン内部では何ができるのでしょうか?ご存知のとおり、航空機エンジンの開発には実際には 3 つの主要な方向性があります。最初の方向はチタン合金の開発です。現在、開発は基本的に世界平均的です。世界的な努力により、平均温度は年間約 2 度で、これが動作温度です。

2 番目の技術は、遮熱コーティングと呼ばれます。遮熱コーティングはセラミックで、航空機エンジンの動作温度をさらに 150 ～ 300 度上げることができます。

3 番目の技術は特殊な冷却技術です。特殊な冷却技術は、より複雑な空気力学と空気力学的設計に依存しているため、非常に複雑になります。しかし、構造的な冷却システムが非常に複雑な場合、現在の製造プロセスは非常に困難になります。局所組織構造の制御とは、材料の冷却、溶融、相変化のプロセスを制御できれば、合金の形成を簡単かつより適切に制御できることを意味します。この合金の形成は多方向であり、3D プリントにより複雑なセラミック構造を製造できます。非常に複雑な幾何学的構造として使用することも、設計者が要求する組織構造を完成させることもできます。

3D プリント + 製造、他には何がありますか?

まず、高付加価値製品、航空、バイオ医薬品が非常に重要です。

2つ目は、新しい合金の設計です。3Dプリントは、私たちが普段使っているプリンターと同じです。各プリンターが寿命中に印刷する粉末や材料は、3Dプリンター自体の約5〜20倍です。そのため、粉末や材料を作ることは、3Dプリンター自体を作るよりも多くの利益をもたらす可能性があります。

3つ目は、いわゆる印刷材料の作り方と全体的な成形工程です。

4番目は、4D プリンティングです。4D プリンティングとは何でしょうか? 3D プリントでは非常に単純なシステムをプリントできます。プリント後に柔らかくなり、加熱してセラミックに成形すると、たとえば複雑な形状のセラミックを形成できます。これは、世界最大の 3D プリントセラミックの 1 つです。この技術では非常に大きなセラミックを製造でき、航空機のエンジンノズルなどにも使用できます。次は 3D プリントの携帯電話ケースです。次世代、第 5 世代の携帯電話では金属製ケースを使用できないことは誰もが知っています。現在、金属製ケースを使用しているため、4D プリントで生成されるような複雑な構造にすることができます。

材料の冷却速度と密度に関しては、密度を大幅に高め、それによって寿命を延ばすことができる新しい方法が発明されました。もちろん新素材の開発もあります。新素材の開発は、材料分野および科学分野における最高のジャーナルである Nature の表紙に掲載されました。

私たちの主な目標は、高強度かつ高靭性の材料を作ることです。私たちは 2 種類の材料を作っています。1 つ目の種類の材料は、高エントロピー合金と呼ばれます。高エントロピー合金は、新しいタイプの高強度かつ高靭性の材料です。なぜ高エントロピー材料がそれほど重要なのでしょうか? 3Dプリントの柔軟性により、現在の航空材料は、異なる組成と構造に基本的に同じ材料を使用します。将来的には、航空機エンジンの各層で異なる組成と構造の材料が使用される可能性があります。この組成と構造は、この温度段階にのみ最適です。これらの高損傷材料を設計することで、この材料に必要な性能を持たせることができます。これは、1000度または200度で作業する場合に最適です。この高エントロピー材料の設計により、材料の可変性が高まります。従来の鍛造鋳造では、これほどの勾配を持つ材料を作ることは不可能です。つまり、レーザーやその他の方法を使用して多段階構造を作成する場合、この新しい材料は多段階 3D 印刷用の新しい材料と新しいデザインを提供できます。設計時には、これらの材料の温度と負荷条件を考慮する必要があります。次世代の 3D プリントでは、さまざまな材料が使用され、さまざまな段階を経て、あらゆる材料で物を作ります。

義肢などの医療用途では、チタン合金など多くの義肢は生分解性がなく、場合によっては除去するために2度目の手術が必要です。現在、私たちが研究しているのは、生分解性の生体金属整形インプラント材料であるバイオメタルです。骨粗しょう症は非常に深刻な病気で、高齢化に伴いその割合は大幅に増加します。高齢者にとって、N回の手術はおろか、1回の手術を受けることさえ困難です。現在開発されているのは、マグネシウム合金の生分解性3Dプリント材料、つまり積層造形材料です。この材料は、さまざまな骨プレートやその他の構造に使用できます。使用される技術は勾配構造です。まず、ナノ処理を使用して材料の性能を大幅に向上させます。次に、表面に超大型構造を追加します。一般的に、ナノ結晶は100ナノメートル未満です。この材料には粒界がなく、金属ガラスです。結晶サイズを6ナノメートル、粒界を2ナノメートルに縮小することで、新しいタイプの材料が生まれます。この材料の性能は非常に特殊です。これはスーパーナノ材料であり、今後最も開発される材料の1つになると信じています。通常のチタン合金よりもさらに超ナノに近いチタン合金を開発しました。この方法の最も重要なプロセスは、準備プロセス中に、特別な冷却速度により、ナノ結晶とナノセルの異なる構造が形成されることです。この構造は、安定性の面でも非常に優れています。マグネシウム合金の強度は一般的に100〜200で、黒い部分は6ナノメートルで、転位は発生しません。これにより、誰もが新しいタイプの金属構造を利用できます。この材料は、将来、積層製造の非常に重要な方法にもなります。

4D プリントセラミックは、3D プリントによって非常に複雑なポリマーにすることができます。焼結または部分焼結後、さまざまな形状のセラミック構造が得られます。現在、最大かつ最も複雑な 4D 構造のセラミックを焼成できます。 3Dプリントの密度は多くの場合十分ではありません。新しい方法は、材料の密度と性能を直接向上させることができます。1つの方法は、製品が出てきた後、直接印刷することです。たとえば、製品が義肢であれば、直接改善することができます。特に厚い部品の場合は、この方法を3Dプリンターと組み合わせて密度を高めることを現在検討しています。2つ目に、より材料に優しいプレストレスを加えることができます。3つ目に、全体的な疲労性能を向上させることができます。

呂院士はついに、自身が研究していたトランスフォーマー構造を紹介した。いわゆるトランスフォーマーは、多重安定金属構造である。これは何を意味するのだろうか？つまり、金属板の場合、一般的に言えば、安定した状態は 1 つしかありません。変形させても、手を離すとすぐに元の形に戻り、跳ね返ります。完全に変形させてしまうと元に戻らなくなります。多重安定性とは、構造を変形できることを意味します。航空宇宙分野では、太陽電池パネルの展開や現在のベクトルエンジンなど、多くの用途があります。ガス出口は完全に制御できます。高温合金または超ナノ合金の場合、すべての制御ポイントを変更すると、この方向になります。したがって、ガス出口は非常に大きくなります。航空宇宙エンジンの出口、ベクトルエンジンは非常に複雑な機械システムであり、このトランスフォーマー構造を使用すると、将来、さまざまな形状の構造を簡単に作成できます。これまで、航空機の構造物は変形できませんでしたが、この方法により、まず変形が可能になり、次に一定の耐荷重能力を持つようになりました。従来は炭素繊維複合材料で作られており、耐荷重は10～20ニュートンでしたが、これは数百ニュートンで、調整も可能です。将来的には、現在使用されているいわゆるベクトルエンジンの組織構造の一部を置き換えることができます。これらは、新しいベクトル空気ダクトのいくつかのアプリケーションの設計に使用できるためです。

出典: SAMA 国際フォーラム

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