3Dプリント技術とアプリケーションの革新が航空宇宙産業の統合的な発展を推進

新世代の情報技術と製造業の深い融合、そして製造業が変革とアップグレードの新時代を迎える中、付加製造は航空宇宙分野における「新技術」として、統合発展の傾向を示しています。 1月5日、ハルビンで開催された第1回中国航空宇宙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では、世界各国の専門家、学者、3Dプリント企業の代表者が一堂に会し、業界と技術の今後の発展動向と革新的な応用に焦点を当て、技術と産業の発展の道を探り、中国の航空宇宙産業の発展を促進するための提案を行いました。

高性能大型基幹部品金属積層造形技術と主要設備製造業への影響<br /> 中国工程院の王華明院士は、航空宇宙産業における大型の主要金属部品の従来の製造技術には、設備が重く、金型が大きく、材料費が高く、サイクルが長く、コストが高いなどの問題があると述べた。大型の主要金属部品に対する積層造形技術の利点は、高性能な材料準備と複雑な構造の製造を統合した優れた冶金/急速凝固です。大型の鍛造や金型が不要、工程が短い、コストが低い、サイクルが短い、材料の利用率が高い、機械加工が少ない、デジタル製造、迅速な対応、迅速な修理などの技術的利点があります。

大型金属部品のレーザー積層造形技術の世界的な技術的課題を制限する 4 つの主要な「ボトルネック」は、第 1 に、熱応力と大型部品の成形を制御する方法、第 2 に、内部品質管理と主要部品の適用、第 3 に、プロセス管理と大規模な設備一式の使用、第 4 に、技術標準システムの確立です。

これら4つの大きなボトルネック問題に対応するため、北京航空航天大学の王華明院士のチームは、相応の技術的突破口を開いた。まず、一連の「内部応力制御」理論を提唱し、部品の「変形・割れ防止」法を完備し、まずは「大型部品の成形が困難」という問題を解決した。 2つ目は、凝固粒子、内部欠陥、微細組織の進化メカニズムを明らかにし、「能動的な内部品質管理」方法を確立し、部品の「機械的特性管理」のボトルネック問題を解決することです。 3つ目は、レーザー積層造形設備システムの新原理を提案し、部品成形能力が4X3X2mの大型工程設備一式シリーズを開発して大型産業用途に適用し、「大型工程設備一式」の問題を初歩的に解決することです。第4に、「生産、教育、研究、応用」が密接に融合し、長期にわたる実験と工学実践を経て、完全な応用技術標準システムが確立され、工学応用の「技術標準」の問題を解決しました。

最後に、王華明院士は、高性能大型キー金属部品の積層造形が主要装備製造業界に及ぼす課題、進歩、影響について語った。彼は、積層造形は将来、材料冶金技術を変革し、伝統的な冶金が材料の準備と性能に対して持つ根本的な制約を取り除き、非平衡、傾斜、耐火材料などの高性能新材料の知能化製造と高性能複合部品のデジタル製造を実現し、主要装備の構造設計と性能機能を変革し、並外れた性能と機能を実現し、製造技術を変革し、大型/超大型、複雑/超複雑、多品種/小ロット/マスカスタマイゼーション、主要装備の高性能キー金属部品の迅速、低コスト、デジタル知能化製造を実現し、社会の生産製造モデルを変革すると述べた。

航空宇宙分野における積層造形技術の応用<br /> 中国航空宇宙科学産業公司第三研究院の張宏文会長は、航空宇宙生産の分野では、情報化、システム化、シリアル化、高効率、精密打撃などの発展ニーズにより、航空宇宙製品の性能、効率、信頼性、経済性、開発サイクル、グリーン環境保護に対する要求がますます高まっていると指摘した。積層造形に対する技術需要は特に切実であり、特に航空宇宙製品の4大カテゴリ、すなわち、内部軽量特殊形状精密部品、中小型超複雑空洞薄肉部品、支持フレーム+外部スキンの複雑な構造部品、キャビンフレームビームなどの大型主要荷重支持一体型部品において切実である。

張宏文社長はCASICの積層造形の応用実践を紹介した。
まず、積層造形は製品設計の革新を促進し、製品構造を統合します。数十、数百、さらにはそれ以上の部品から組み立てられた製品を統合的に設計し、3Dプリントで一度に製造できるため、製造プロセスが大幅に簡素化されます。構造をよりコンパクトにすることができ、さまざまな構造を統合することで質量と体積を大幅に削減できます。製造および組み立てコストを節約し、組み立てエラーを排除できます。構造と機能を統合し、最も合理的な複雑な内部流路構造を通じて最も理想的な温度制御方法を実現し、異なる材料の組み合わせを通じて同じ部品の異なる部分の機能要件を実現し、同じ部品の異なる部分の異なる応力状態、より理想的な温度制御、より最適化された機械構造を実現します。構造設計を最適化することで金属構造部品の重量を大幅に削減できるため、高価な航空材料を節約し、加工コストを削減し、均一な荷重分散を実現し、複雑な作業条件下での製品の信頼性と安定性を向上させ、構造重量の割合を大幅に削減できます。

2つ目は、伝統的な製造技術の転換とアップグレードを推進することです。レーザー複合製造技術を通じて伝統的な製造技術を転換しアップグレードすることで、複合加工を実現し、最良の製造戦略を形成します。鋳造、鍛造、機械加工などの伝統的なプロセス技術で製造された部品に微細構造を任意に追加することができ、その機械的特性は製造全体と同等です。同時に、レーザー積層造形技術でブランクを製造し、その後、建材製造方法を使用して後処理することができます。

3つ目は、積層造形用の一連の特殊材料を開発することです。現在、金属3Dプリント技術の主な応用分野は航空宇宙産業です。既存材料の3Dプリント適応性に関する研究は、主に高性能チタン合金、高温合金、超高強度鋼、アルミニウム合金などの航空宇宙材料を対象としています。 3D プリント技術の発展に伴い、コバルト合金、銅合金、複合材料、傾斜材料、アモルファス合金などの材料の積層造形の応用範囲はますます広がります。

大型民間航空機における積層造形技術の応用<br /> COMACの付加製造技術応用研究センター所長である張家鎮氏は、民間商用航空機の付加製造技術には3つの大きな需要があると提唱した。

1 つ目は、革新的なデザインに対する需要です。3Dプリント技術は民間航空機の設計思想を変えています。設計の自律性と環境保護の利点により、航空機製造業界におけるその地位はますます重要になっています。航空分野における3Dプリント技術の応用は、もはや安いか速いかという議論に限定されず、競争力の向上をもたらす全体的なパフォーマンスの向上と経済的利益の研究にまで及んでいます。

第二に、迅速な設計検証のニーズを満たし、設計サイクルを短縮するために、工業設計段階では、3Dプリント技術の低コストと迅速なプロトタイピング特性により、従来のプロセスの長い生産サイクルと高コストを補うことができます。設計者はいつでも設計モデルを印刷して、設計効果を検証できます。加工工程が簡素化され、一部の非応力支持部品や、より複雑な構造の応力支持部品、ハッチ装飾部品などを直接加工することができ、加工工程が簡素化されます。

3つ目は、顧客のニーズに迅速に対応することです。3Dプリントの迅速な処理特性を利用して、必要な航空資材を現場または近くで迅速に製造できれば、顧客のAOG航空資材のニーズに迅速に対応できるようになります。 3Dプリントは、航空機部品の量産や航空機整備に必要な航空資材の製造に活用できるだけでなく、迅速な処理特性を活かして、現場で不足し短期的に調達できない航空資材を現地で製造し、緊急の航空資材需要に応えることも可能です。民間航空整備の分野では、3D プリント技術を使用して航空機の構造や部品を修復する方法が開発され、迅速かつ低コストの整備が実現し、航空機整備のダウンタイムが短縮され、整備コストが削減されます。さらに、整備作業のニーズや経験に基づいて、3Dプリント技術を活用して、航空機整備に必要な特殊な工具や加工同等の代替工具を開発することができ、航空機整備作業の効率化と整備コストの削減につながります。

航空分野における積層造形技術の研究と応用<br /> 航空業界における特殊加工の主任専門家であり、中国航空製造技術研究所の副主任エンジニアであるゴン・シュイリ氏は、航空分野における積層造形技術の4つの主要な応用を提案した。

まず、まったく新しい構造設計をサポートし、新しい構造を製造し、構造設計の革新を促進します。たとえば、空間格子サンドイッチ構造は、構造が軽く、剛性が高く、放熱性に優れているという特徴があります。応力集中のない位相最適化を実現でき、複雑な構造形状を積層造形によって簡単に実現できます。

2つ目は、先進的な「ハイブリッド製造」コンセプトを実現し、「付加製造」の特性を活かして、複数の部品で構成されるアセンブリを一体構造に変換し、構造効率を最適化することです。例えば、大型航空機の翼梁の「ハイブリッド製造」では、厚さの変化が非常に激しく、金型鍛造では組織特性の均一性を確保することが困難です。ハイブリッド製造技術により、単純な形状の鍛造品に局所的な隆起耳とリブを形成でき、コストを大幅に削減できます。

3つ目は、迅速な製造と直接製造を実現することです。付加製造技術は、工具や金型の事前投資を必要とせず、処理の柔軟性が高く、応答性に優れています。製造計画をリアルタイムで調整して、迅速な対応の製造を実現できます。小型構造物の精密積層造形技術は、エアバス、ロールス・ロイス、EADS などの企業の航空機やエンジンに広く使用されています。

4番目に、欠陥部品の修理を実現できます。付加製造技術は、エンジンブレード、インテグラルブリスク、フレームビームなど、高価値部品を修理し、不適切な処理や使用により損傷した部品を救うことができます。

出典: 中国テクノロジー取引所

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