王華明院士：高性能大型主要金属部品の積層造形技術と主要設備製造業界への影響

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た。会議では、北京航空航天大学の王華明院士が「高性能大型キー金属部品の付加製造技術と主要装備製造業界への影響」と題する基調講演を行った。

王華明院士は、3Dプリントはコンピュータ技術の発展後に開発されたデジタル製造技術であり、3次元のものを2次元として扱い、層ごとに処理すると述べた。 3D プリント技術によってもたらされる最大の破壊力は、まず第一に構造の変化です。私たちが最初に設計した構造は非常に優れた構造を持つことができましたが、従来の製造技術ではそれを生み出すことができませんでした。今では層ごとに行われ、実際に変化したのは構造です。デザイナーはこの技術についてもっと知るべきです。この一連の変更によってもたらされる変化は、当初 30,000 個の部品が必要だった飛行機が、現在では 300 個の部品で済むようになることです。当初飛行機の積載量が 60 トンだった場合、ある日積載量は 60 トンのままでも、飛行機の重量が 50 トンになる可能性があります。これにより構造的な変化がもたらされます。

第二に、材料を変換します。つまり、3D プリントのプロセスでは、従来の方法で準備されたいくつかの材料、特に金属材料を合成して準備することができます。
第三に、製造技術、材料、構造、そして製造そのものに変化をもたらします。 3Dプリントは、材料に基づいて分類するのが比較的簡単です。1 つのカテゴリは非金属プリントで、もう 1 つは金属プリントです。もちろん、いわゆる生物学的3Dプリンティングもあります。彼の意見では、生物学的3Dプリンティングは付加製造とは何の関係もありません。生物学的3Dプリンティングは、生物組織を培養する手段を提供するだけです。この種の生物組織は、印刷されるのではなく、細胞分裂によって培養され成長するので、それ自体が生命科学のカテゴリーに属します。 3D プリントは金属を印刷する方法の 1 つであり、非金属を印刷する方法の 1 つです。

王院士が勤務する国立工程研究所は、主要機器の大型で高性能な主要部品の3Dプリントに常に取り組んでおり、それが同研究所の主な方向性となっている。 3D プリントを使用して主要な機器の大型で重要な金属部品を製造する場合の問題点は何でしょうか? 非常に優れた利点がありますが、非常に厳しい課題にも直面しています。実際のところ、多くの作業が必要です。なぜ、3D プリントの対象として大型重要部品の分野を選んだのでしょうか?これは、主要設備のこれらの大型キーコンポーネントを製造するのが極めて難しいためです。従来の方法を使用すると、重工業になりますが、これは中国第一重工業と中国第二重工業が行っていることです。 3D プリントにより、大型部品の製造が容易になるかもしれません。たとえば、部品のデジタルモデルから、高エネルギー熱源を使用して溶かして固めると、非常に微細なブランクを非常に短時間で作成でき、サイクルも非常に短くなります。それは単にサイクルタイムの短縮、材料の節約、金型の節約、重工業インフラの節約だけではありません。
彼の意見では、非常に重要なリンクは、印刷プロセス中に高性能材料を準備できることと、材料と構造の製造を同時に完了できることです。後者における 3D 印刷の利点は、金型、材料、処理の節約、および迅速な対応です。多くの利点がありますが、これらの利点を現実のものにするにはまだ大きな困難が伴います。大型の主要コンポーネントの 3D プリントを真に解決し、エンジニアリングアプリケーションを実現するには、まだ多くの課題が残っています。これらは、着陸装置やエンジン一体型ブレードなどのチタン合金部品など、研究室が過去に製造した部品の一部です。現在の技術状況では、このような大型のチタン合金部品を製造するには、3Dプリント以外の方法はありません。この課題はどこにあるのでしょうか?粉末やワイヤの供給など、部品が変形したり割れたりしないように印刷プロセスをどのように制御しても、部品が大きくなるほど、変形や割れが発生する可能性が高くなります。大きな部品を作るのは非常に困難です。これは永遠のテーマです。3Dプリントで何でもできるとは思わないでください。部品が大きくなりすぎると、印刷できなくなります。装置は非常に大きくても、作ることはできません。これには多くの研究が必要です。

2番目は材料です。今は誰もが誤解していて、粉末やフィラメントが原材料だと思っています。印刷プロセスを通じて生成された実際の部品こそが材料です。印刷プロセス中にこの材料を制御して欠陥が発生しないようにする方法、形状を制御できるように結晶化を制御する方法。このプロセスが制御されない場合、最終的なパフォーマンスは許容できないものになります。つまり、性能が十分でなければ、重要な力を受ける部品として使用することはできません。このプロセスは、間違いなく従来の凝固ではありません。急速なレーザー加熱、急速な冷却、不均一な条件、固体相変化の条件下での凝固です。このプロセスは間違いなく必要なプロセスです。先ほど、印刷プロセス中の熱応力を制御し、プロセスを制御し、大規模な装置を開発し、この技術をエンジニアリングに適用できるようにし、対応する標準システムを確立する方法についてお話ししました。これらがなければ、新しい技術は適用できない。彼の意見では、これは
テクノロジーは発展し、問題に立ち向かう必要があります。
3番目は装備です。 2006 年から現在まで、機器はシリアル化され、設計されてきました。

4番目は標準です。今は3Dプリントに標準がないとみんな言っています。粉末からプロセス、設備、品質管理、超音波テスト、そして最終製品まで、実は2005年からエンジニアリング用途へと移行しているのですが、この標準を取得したからといって、このものが作れるというわけではありません。長年の努力を経て、当社は独自の3Dプリント技術、独自の設備、独自の標準システムを開発し、この技術をエンジニアリングに応用できるようになりました。もちろん、このプロセスは産業界、学界、研究界の緊密な統合の結果です。国内の主要設備の中には、かけがえのない役割を果たす部品が数多くあります。これは副産物です。2009 年、C919 の機首は双曲面でした。この部品はおそらく従来の方法で製造されました。金型代は 1 セットあたり 20 万ドルになるかもしれません。部品の製造には少なくとも 2 年かかりますので、部品は非常に高価になります。 3Dプリントを使い、約55日間でフレーム4つを製作し、すべての費用を合計しても120万以下、金型代金の10分の1以下で済みました。これも奇跡的で、時間も非常に短かったです。

2010 年に私たちはあることを成し遂げました。厳密に言えば、民間航空機の大型かつ重要な部品に 3D プリントが使用されたのはこれが世界で初めてのことでした。 3Dプリント製品の重量はわずか約136キログラムで、材料と加工を大幅に節約でき、加工時の変形も非常に小さくなります。もちろん、コストは低く、パフォーマンスは高くなります。 70%の軽量化。このような複雑な部品を製造できる従来の方法はありません。現在、3D プリントが唯一の解決策となっています。この解決策により、航空機の重量を 250 キログラム削減できます。高強度チタン合金は、強度、密度が高く、コストが高く、非常に硬く、加工が困難です。現在、当社は独自の新しい3Dプリント用チタン合金材料を開発しており、これにより処理時間が30%以上短縮されています。航空機に使用されているすべての材料は、この新しい材料に置き換えられています。航空機の着陸装置の部品は非常に大きく、超高強度鋼で作られています。このタイプのアプリケーションは、3D プリントの利点を実証しています。 3D プリント技術が航空の発展にとって非常に重要であることは間違いありません。

この技術は主要な機器製造業界にどのような影響を与えるでしょうか?彼は、革命的な影響は革新的な材料の導入であり、これにより部品全体のさまざまな部分をポイントごとに制御および設計できるようになると考えています。部品の厚さが500 mmであっても、700 mmであっても、性能と組織構造は同じです。 3Dプリントはこれを実現できます。ある意味では、材料設計と部品形成原理の制約を含む、従来の材料準備の導入を取り除くことになります。これは転覆となるでしょう。航空機エンジンの最も重要な部品はタービンブレードです。方向性凝固技術と工業用金属冷却により、温度勾配は1センチメートルあたり200度に達します。ブレードの外観に関係なく、深刻な多孔性、深刻な偏析、粗い樹枝状結晶が見られます。これを回避する方法はありません。今、3D プリントが変化をもたらすかもしれません。これは 1989 年に行われたレーザー積層造形法による、微細配向柱状結晶です。この種の部品は従来の方法では生産できない、革命的な材料です。

例えば、チタン合金の一体型ブレードディスクは柱状結晶と等軸結晶にすることができます。現在、世界中で誰もチタン合金の方向性凝固を作ることができていません。鉄筋コンクリートと言えば、チタン合金の中には柱状結晶のものもあれば、等軸結晶のものもあります。鉄筋の間隔や大きさを制御できるため、従来の方法では作れないさまざまな素材に変えることができます。

このような革新的な製造技術の例をいくつか挙げると、将来の装置は極めて大型か、極めて小型かのどちらかになるでしょう。私たちは極めて大型のものを目指していますが、将来の装置は間違いなくますます大型化し、性能もますます向上します。これらはすべて 3D プリンティングにとって良いことです。小さな例を挙げると、大型エンジンのファンを一体型のファンブレードディスクにする場合、従来の方法で直径3.5メートル以上のチタン合金を鍛造し、それをそのような部品に加工するのは非常に高価になります。しかし、3Dプリントを使用すると、これは非常に簡単なことになります。これには、材料、衝撃、構造、製造が含まれます。また、製造モデルにも変化をもたらします。将来の工場は、今日の工場とは異なるものになるでしょう。

今はニュースメディアが大々的に宣伝しているわけではありません。一部の企業は、話題作りのためだけに資金を調達しています。まだまだ道のりは長いと思います。今は3Dプリントに関する大々的な宣伝が増えていますが、実際にはコアとなる技術はありません。材料や職人技、長期的な研究に取り組むことなく、彼らはちょっとした技術を盗み、2人の人間、2人の労働者を誘拐し、2日間それで遊ぶだけですが、3日後には希望がなくなります。 3D プリントでは、すべての材料を使用して大型部品を製造できるわけではありません。すべての材料が適しているわけではなく、すべての部品が適しているわけでもありません。おそらく、チタン合金などの材料は高価であるほど、加工が難しくなり、材料もプラスチックでなければならないのでしょう。これらの材料でどのような部品を作ることができるのでしょうか?このような小さくて単純な部品を作る場合、従来の方法の方がはるかに安価で優れているため、その必要はありません。どのようなコンポーネントを作成する必要がありますか?これらはサイズが非常に大きく、構造が非常に複雑で、非常に高い性能要件が求められます。これらを組み合わせることで、材料の節約、サイクルの節約、コストの節約、性能の向上が実現し、これが最大の利点だと思います。

製品がどれだけ優れていても、性能上の利点と価格上の利点がなければ、アプリケーションの価値はありません。
王院士は、金属が存在する限り、これは永遠のテーマであり、永遠の方向であると語った。レーザーはもう使われなくなるかもしれないし、電子ビームももう使われなくなるかもしれないが、それは常に基本的な手段であり、永遠のテーマである。伝統的な金属材料のボトルネックの制約を打ち破る。3Dプリントは彼らの方向の1つに過ぎない。彼らはまた、新素材や表面工学にも熱心に取り組んでいる。

出典: SAMA 国際フォーラム

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