【分析】海外における高エネルギービーム積層造形技術の応用状況と最新動向

3D プリンティングは、近年急速に発展したハイエンドのデジタル製造技術です。その中で、レーザービームや電子ビームをエネルギー源とする高エネルギービーム積層造形技術は、この技術分野における重要な発展方向であり、このタイプの技術は航空宇宙分野での応用見通しが良好であり、国内外で高く評価されています。積層造形技術の共通の特徴は、3次元デジタル製造が簡単に実現でき、特に加工が難しい材料や複雑な構造部品の研究と製造に適していること、原材料の利用率が高く、グリーン製造の概念に合致していること、積層造形後の性能と品質が優れており、構造の軽量化が実現できること、ツールや金型を使わずに製品を直接製造でき、応答速度が速いことです。米国政府と欧州連合はともに、政府資金と企業の研究開発基金を通じて多額の研究開発資金を投入し、マーシャル宇宙センター、ボーイング、ロッキード・マーティン、ゼネラル・エレクトリック、欧州のEADS、ロールス・ロイスなどに代表される大手航空宇宙・軍事企業を支援し、「生産、学習、研究」のアプローチを採用して積層造形技術の研究と応用を行い、大きな進歩を遂げてきました。

海外の技術開発の現状
金属材料の積層造形技術は、航空宇宙分野の主要部品の開発ニーズから生まれました。20年以上の開発を経て、積層造形は、その発祥から産業化、試作品の展示から部品の直接製造まで、急速なプロセスを経てきました。 2012年8月、ペンシルベニア州西部、オハイオ州東部、バージニア州西部の14の大学と40社以上の企業を集めてアメリカ積層造形イノベーション研究所が設立され、航空宇宙への応用ニーズを積層造形の優先研究対象としました。米国政府は、米国製造業再活性化計画の一環として、2012年8月に国立付加製造技術イノベーション研究所（NAMII）の設立を発表しました。2011年3月には、英国工学物理科学研究会議（EPSRC）がノッティンガム大学に付加製造技術イノベーションセンターを設立しました。2013年1月には、欧州宇宙機関（ESA）が付加製造技術研究プログラムを開始しました。オーストラリアも付加製造技術開発ロードマップを策定しています。 2011年以来、英国政府は付加製造技術の研究開発資金を継続的に増加させています。英国工学物理科学研究評議会には付加製造研究センターがあり、ラフバラー大学、バーミンガム大学、英国国立物理学研究所、ボーイング社、ドイツのEOS社など、15の著名な大学、研究機関、企業が参加しています。

英国や米国に加え、他の先進国でも積層造形技術の開発を促進するための取り組みが積極的に行われている。ドイツは直接製造研究センターを設立し、主に航空宇宙分野の軽量構造における積層造形技術の応用を研究・推進しています。フランス積層造形協会は積層造形技術標準の研究に取り組んでいます。スペインは政府の資金援助を受けて積層造形を開発するための特別プロジェクトを立ち上げ、研究内容には積層造形の共通技術、材料、技術交流、ビジネスモデルの4つの側面が含まれています。2012年2月、オーストラリア政府は航空宇宙分野の革命的なプロジェクト「マイクロエンジン積層造形技術」への支援を発表しました。これは積層造形技術を使用して航空宇宙分野でマイクロエンジン部品を製造し、この技術の航空宇宙およびその他の分野への応用を効果的に推進するものです。

高エネルギービーム積層造形技術の研究と応用の現状
充填材料の異なる方法に応じて、高エネルギービーム積層造形は、事前粉末積層と同期粉末供給またはワイヤ供給に分けられます。レーザーと電子ビームの2つの高エネルギービームエネルギー源を組み合わせることで、事前粉末積層積層技術は、レーザー選択溶融積層造形（SLM）技術と選択電子ビーム溶融積層造形（EBM）技術に具体的に分けられます。同期粉末供給またはワイヤ供給積層造形技術は、主にレーザー溶融堆積（LMD）技術と電子ビーム溶融堆積（EBFF）技術に分けられます。

選択的レーザー溶融（SLM）製造技術
レーザー選択溶融製造技術は、部品のCADモデルを層状にスライスし、事前粉末化法を用いて、レーザービームを駆動し、コンピュータ制御下でグラフィック軌道に沿って選択領域の合金粉末層をスキャンし、スライスと同じ厚さで部品の特定の断面の形状の薄い金属層を溶融して堆積させ、部品のCADモデルと一致する金属部品を製造する技術です。 SLM 製造のレーザー出力は、一般的に数百ワットレベルであり、高精度 (最大 0.05 mm)、高品質、加工余裕はほとんどまたはまったくありません。精密な合わせ面に加え、製造された製品は通常、サンドブラストや研磨などの簡単な後処理を行った後、直接使用できます。中小型の複雑構造部品（特に複雑な薄肉キャビティ構造部品）の高精度かつ全面的な高速製造に適しています。

2003年末、ドイツは世界初のSLM装置を発売しました。近年、ドイツのEOS、Concept Laser、SLM Solutions、英国のRenishawなどのテクノロジー企業は、レーザー選択溶融積層造形技術と装置で大きな進歩を遂げています。 SLM 装置で使用されるレーザーは、ほとんどがビーム品質が高く、メンテナンス性に優れ、光電変換効率が高いファイバーレーザーです。レーザー選択溶融積層造形技術の堆積効率をさらに向上させるため、ドイツのSLM-Solutions社は2012年11月に2台のレーザー/2台の走査型ガルバノメータを使用してレーザー選択溶融積層造形成形システムを構築しました。この装置の成形サイズ範囲は500mm×280mm×325mmです。2台のレーザー走査装置は独立してまたは同時に動作することができ、大型で複雑な部品のアプリケーション要件を満たすことができます。応用面では、GEは米国の大手企業の中で初めて金属材料のレーザー溶融積層造形の研究開発チームを設立し、2012年にはSLM製造技術を専門とするモリス社とRQM社を買収した。 GE は SLM を使用して LEAP ジェットエンジンの燃料ノズルを製造する予定です。各エンジンには19個の燃料ノズルが搭載される予定です。 GE は今後 3 年間で年間 25,000 個の燃料ノズルを生産し、合計で約 100,000 個の燃料ノズルを生産する予定です。

2012 年、NASA のマーシャル宇宙飛行センターの科学者とエンジニアは、レーザー選択溶融技術を使用して、スペースローンチシステムの大型打ち上げロケットで使用する複雑な構造金属部品のサンプルを製造しました。 NASA は、この技術により部品の製造に必要な時間が大幅に短縮され、場合によっては製造時間が数か月から数週間に短縮され、コストが削減される可能性があると考えています。部品を溶接する必要がなくなったため、構造がより強固で信頼性が高くなり、ロケット全体がより安全になりました。 NASAは現在、2017年に予定されているスペース・ローンチ・システム初の飛行試験で、レーザー選択溶融技術を使用して製造された部品を使用する予定だ。

2013 年 8 月、NASA は SLM が製造した J-2X エンジンインジェクターサンプルに対して高温テストを実施しました。図 1 に示すように、結果は SLM が製造した部品がエンジン部品の設計および使用要件を完全に満たしていることを示しました。カリフォルニア大学サンディエゴ校の宇宙開発探査チームは、3D プリントを使用してロケットエンジンの推力室コンポーネントを製造しています (図 2)。従来の製造方法と比較して、3D プリント技術はロケットエンジンに新しい製造方法を提供します。

レーザー溶融堆積（LMD）製造技術
LMD テクノロジーは、同期搬送金属原材料方式を使用して、CAD レイヤリングによって生成されたグラフィックファイルに従って 3 次元金属部品を層ごとに堆積させるプロセスです。 LMDの主な特徴は、同軸粉末供給、大きなスポット径、高いレーザー出力（数キロワット）、粉末の完全溶融、高い成形効率、1～3mmの成形精度です。一般的には、比較的複雑な形状の大型金属部品ブランクの製造に使用され、使用前に部品を加工する必要があり、加工代も大きくなります。サンディア国立研究所とロスアロモス国立研究所は、米国エネルギー省の研究プログラムの支援を受けて、LENSとLMDと呼ばれる技術の開発を主導し、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン合金、高融点金属などの材料の構造と特性を研究しました。この技術は、標準ミサイル3（SM3）の3次元誘導姿勢制御システムのレニウム部品の製造に使用され、製造コストと製造サイクルを50％削減できるため、高性能金属部品の直接成形におけるこの技術の利点が実証されました。

この技術は大型チタン合金構造部品の直接成形において優れた利点があり、航空機やその他の機器の研究と生産に幅広く応用できるため、高性能チタン合金構造部品のレーザー急速成形の研究は常にこの分野の研究焦点となっています。米国のカリフォルニア先端構造研究所は、大傾斜構造部品の製造を実現する大型構造部品製造用のMX3Dロボット（図3）を設計しました。

エアバスのA300とA350XWBモデルは3Dプリント部品の使用を開始した。一部のブラケット部品は重量を30％から55％削減でき、多くの原材料を節約できる。

電子ビーム積層造形技術
電子ビーム積層造形法とは、コンピュータを使用して部品の3次元CADモデルを積層し、各層の断面の2次元輪郭情報を取得し、加工経路を生成することです。高エネルギー密度の電子ビームを熱源として使用し、真空チャンバー内で所定の加工経路に従って材料を溶かし、材料を層ごとに堆積させて最終的に金属部品の成形を実現します。電子ビーム積層造形の主な利点は次のとおりです。真空環境で行われるため、高温状態の金属材料に対する保護効果が高く、酸化されにくいため、チタンやアルミニウムなどの活性金属の加工に非常に適しています。電子ビームは数十キロワットの出力に簡単に達することができます。部品は総合的な機械的特性が良好で、特にチタン合金材料の製造において合金元素成分が保持されます。

選択的電子ビーム溶解（EBM）製造技術
スウェーデンの企業 Arcam は、選択的電子ビーム溶解製造技術に関する最高の研究を行っており、主要な EBM 技術と機器の特許を習得しています。この技術は粉末ニアネットシェーピングの精度、効率、コスト、部品性能において独自の利点を持っているため、海外では電子ビームラピッドプロトタイピングの研究が急速に発展しています。ノースカロライナ大学、ウォーリック大学、ニュルンベルク大学、ボーイング、シナジーグループ、フルス・イノベーティブ・テクノロジエン、ボルボ
当社は関連する研究活動を積極的に実施してきました。選択的電子ビーム溶融の製造精度は約0.3mmで、電子ビームの最大走査速度は7km/sに達し、複数の電子ビームの同時走査も実現できます。

電子ビームヒューズ（EBFF）製造技術
電子ビーム溶融ワイヤ積層造形法では、主にワイヤ供給によって材料の追加を実現します。米国のSciaky社が開発した電子ビームヒューズ積層造形装置を図4に示します。電子ビームヒューズ積層造形法の出力は数十キロワットに達し、製造精度は約2～4mmであり、複雑な構造を持つ大型ワークピースの生産効率を向上させる上で大きな意義があります。図4 電子ビームヒューズ積層造形装置

複合材料付加製造技術<br /> 近年、NASAは複合材積層造形技術を非常に重視しており、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士用ツールや衛星用の巨大燃料タンクの3Dプリントにおいて重要な進歩を遂げています。 NASA は、追加の機器やハードウェアの代わりに、宇宙飛行士用の非金属ツールや日常の食器 (図 5) を現場で製造するために、2014 年に国際宇宙ステーションに 3D プリンター装置を打ち上げる計画があると報告されています。

衛星設計の改善、衛星搭載量の増加、宇宙の有効活用のため、米国ロッキード・マーティン社による衛星設計・製造における重要な変化は、巨大燃料タンクに3Dプリント技術を使用することです（図6）。燃料タンクの長さは約15フィート（約4.572メートル）で、ポリカーボネート製とのこと。大型の燃料タンクは2週間で印刷できる。図5 国際宇宙ステーション用の3Dプリントされた非金属ツールと食器図6 3Dプリントされた大型衛星燃料タンク

テクノロジートレンド
1 レーザービームと電子ビームによる積層造形技術は協調して発展する
レーザービームと電子ビームをエネルギー源として利用する積層造形技術は、それぞれ特徴が異なりますが、いずれも先進的な積層造形技術であり、航空・宇宙などの防衛科学技術産業において協調して開発が進められていきます。

2 SLM技術開発の動向
SLM技術は、欠陥がほとんどない高精度の新材料形成に向けて発展しています。
SLMは製造精度が最も高く、チタン合金や耐熱合金などの代表的な航空宇宙材料の複雑な薄肉空洞部品の高性能・高精度製造に一定の優位性があり、近年国内外で注目されている研究テーマとなっている。現在検索されている情報によると、SLM はエンジニアリングに応用される前に解決すべき基本的な問題がまだ多くあります。今後は、粉末技術条件、表面球状化、内部欠陥形成メカニズム、組織特性と高精度の協調制御の分野で、徹底した技術基礎研究が必要になります。 SLM は、チタン合金や高温合金への応用に加え、高融点合金（タングステン合金、レニウムイリジウム合金など）やセラミック材料にも適用が拡大されます。

SLM装置は、マルチビーム、大型成形サイズ、高製造効率化に向けて開発されています。
既存のシングルビームSLM成形装置は、適用範囲が狭く、生産効率が低いため、大規模で複雑な部品の全体的な製造に対応できません。しかし、航空宇宙モデルの要件の観点から見ると、より大きく複雑な部品の需要はより切実であり、そのため、将来的には、SLM 装置は、複数のビーム、大きな成形サイズ、および高い製造効率の方向に発展するでしょう。

3 LMD技術の工学的応用をさらに拡大し推進する<br /> 中国では10年以上の基礎研究と主要技術開発を経て、主要な技術的課題は解決され、応用も成功しており、技術は比較的成熟している。 LMD技術は「部品修理」にも応用できます。

4.電子ビーム積層造形技術の応用分野がさらに拡大する
現在入手可能な情報によると、EBM装置の国際主要メーカーはスウェーデンのArcamです。同社は装置製造のほか、チタン合金やチタンアルミニウム合金などの材料のEBM製造プロセスも習得しており、医療分野で一定の応用があり、航空分野でも少数の応用があります。電子ビーム積層造形技術の応用分野はさらに拡大するでしょう。

5.高エネルギービーム積層造形装置の開発がさらに商業化される
海外の開発状況から判断すると、各付加製造技術ごとに、成熟した商用設備メーカーが 1 社または複数社存在し、一連の付加製造設備を形成しています。同時に、海外の設備メーカーは、ハードウェア設備の製造に加えて、代表的な材料成形プロセスと材料特性についても大量の研究を実施し、代表的な材料成形プロセスのコア技術を習得し、比較的完全なプロセスパラメータデータベースを形成しました。拡大し続ける応用需要に直面して、高エネルギービーム積層造形装置の開発はさらに商業化されるでしょう。

著者: 陳吉倫、楊潔、于海景出典: 航空宇宙製造技術

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