3Dプリント技術で大型航空機製造の「中国の夢」を実現

第三次産業革命の製造分野における代表的な技術として、3Dプリンティングの開発は常にあらゆる分野から幅広い注目を集めています。金属高性能積層造形技術（金属3Dプリント技術）は、業界の専門家から3Dプリント分野における高難易度、高水準の開発分野とみなされており、工業製造において重要な役割を果たしています。Antarctic Bearも金属3Dプリントの開発に注目しています。現在、世界中の工業製造企業が金属付加製造技術の開発に熱心に取り組んでおり、特に航空宇宙製造企業は、技術リーダーシップを確保するために研究開発の取り組みを強化するために多額の資金と物質的資源を費やす用意があります。

複雑な航空部品の製造を簡素化し、一度に成形するにはどうすればよいでしょうか?
従来の部品製造における材料利用率はわずか 5% です。これを 85% まで高めることは可能でしょうか?
どのような技術とプロセスが部品の製造サイクルを 24 か月から 3 か月に短縮し、耐用年数を大幅に延ばし、メンテナンスコストを数百万人民元節約できるでしょうか?
答えはもちろん 3D プリントであり、それが 3D プリント独自の利点です。

潘登教授は、現在、浙江清華長江デルタ研究所特殊金属研究センター所長、上海大学「金属系先進動力材料」重点実験室所長を務めており、米国ジョンズ・ホプキンス大学で博士号を取得。教育部の「新世紀優秀人材」支援プログラムに選ばれ、上海の「東方学者」の特任教授に選ばれた。
この物語は、5月5日に中国初の国産大型航空機C919が試験飛行に成功したことから始まります。この大型航空機の初飛行は、中国人民の自主製造の夢を実現しました。また、特筆すべきもう一つのハイライトは、国内航空分野における積層造形技術の応用時代を切り開いたことです。簡単に言えば、3Dプリント技術を使用して製造されたいくつかの機能部品が大型航空機に使用されたということです。これは中国で初めてのことです。

3Dプリント技術の材料コストは従来の鋳造、鍛造、機械加工技術に比べて高いものの、航空分野だけでも、製造プロセスにおける単一の構造部品の組み立てコストとそのライフサイクル中の運用コストを数百万人民元節約できるため、間違いなく「利益が保証された」ビジネスです。中国の3Dプリンティングと航空分野の物語は始まったばかりです。
「小鍋料理」のオーダーメイド生産のワンステップ生産プロセス
3D プリント技術は新しい製造方法であり、その概念は材料の変形と除去成形という従来の原理を打ち破ります。この方法を使用すると、工具や金型を使わずに、複雑な形状の 3 次元ソリッド部品を迅速に製造できます。 3D プリント製品を作るには、たった 4 つのステップしかかかりません。

最初のステップはコンピューターモデリングです。
2 番目のステップは、モデルをレイヤー化すること、つまり 3 次元モデルを 2 次元に変換することです。
3 番目のステップは、モデル信号をプリンターに入力し、レイヤーごとに印刷することです。
4番目のステップはラミネートです。
3D プリント技術の材料価格は従来の製造プロセスよりもはるかに高くなりますが、材料利用率、製造サイクル、製造プロセス中の組み立てコスト、製品の運用コストは従来の製造プロセスに比べて大幅に削減されます。この技術は「20世紀末の製造技術分野における大きな進歩」とされており、21世紀の主流の製造技術となる可能性があります。

3D プリントの利点は、製造の簡素化と伝統の超越という 8 つの単語で要約できます。製造プロセスを N ステップから 1 ステップに簡素化できます。航空業界で使用されているLEAP-1Cジェットエンジンインジェクターを例にとると、従来の製造プロセスは非常に複雑で、完成までに溶接やリベット留めなどの一連の手順が必要ですが、3Dプリント技術ではワンステップで形成でき、耐用年数においてもかけがえのない利点があります。外壁が中実で外壁内部が中空、さらに内部が中空構造という部品構造もあります。この複雑な構造は従来の工程では実現が非常に難しいのですが、3Dプリント技術を使えば1回で完成させることができます。

従来の鋳造が大きな鍋料理を作るようなもので、大量生産、数量によって価格が決定されますが、デジタル製造 3D プリントは小さな鍋料理のようなもので、小規模生産、均一なコスト、カスタマイズされた生産を実現できます。 3D プリンティング企業は知的集約型産業として、いつでも市場の需要に応えるために世界中の市場に工場を設立しています。今日、3D プリント技術は航空、兵器、自動車、バイオメディカル産業にまで広がっています。米国、欧州、日本、中国はいずれも3Dプリント技術を国家戦略の一つに据え、国内の積層造形産業の発展計画を策定している。

航空 3D プリントで両方の長所を活かすにはどうすればよいでしょうか?
3Dプリンティングは、設備、ソフトウェア、材料の3つの部分で構成されており、その中で材料は不可欠な要素です。しかし、現在業界では主に設備とソフトウェアの研究が行われており、材料の研究には十分な注意が払われていません。
3D プリントの発展は、印刷材料のサポートと切り離せません。優れた印刷材料には、次の 4 つの特性が必要です。
まず、消耗品は無毒で環境に優しいです。
第二に、材料の性能は安定しており、プリンターの継続的かつ信頼性の高い動作を満たす必要があります。
3つ目に、材料の機能はますます豊かになるはずです。例えば、導電性、水溶性、耐摩耗性などの特性が求められる材料も増えています。
4番目に、顧客にとって経済的で手頃な価格でなければなりません。航空 3D プリント用の特殊粉末の用途では、粒子サイズ、サイズ分布、球形度、酸素含有量、純度などに対して厳しい要件があります。

そのため、業界関係者は一般的に、材料のボトルネックが 3D プリントの発展を制限する主な問題になっていることを認識しています。特に、民生産業で最も広く使用されている鉄系やアルミニウム系の金属粉末、ハイエンド分野で使用されているチタン系やコバルト系の金属粉末、高性能な3Dプリント専用の金属材料などが研究のホットスポットとなっています。

同時に、航空機の使用環境の複雑さや、他の分野に比べて設計寿命が長いこと、また航空機部品ごとに性能要件が異なること（例えば、航空機エンジン部品は高温性能に対する要件が非常に高く、着陸装置の主な性能要件は耐衝撃性と耐腐食性に集中しており、航空機の主要構造は強度と疲労寿命を重視している）から、航空3Dプリントはすべての3Dプリント技術の中で最も難しい技術であると言えます。

中国の航空 3D プリントの物語は始まったばかり: 共同艦隊が必要<br /> 材料のボトルネックを打破する必要性に加えて、3D プリント技術のこの最も困難な領域では、材料の準備にもボトルネックがあります。現在、3Dプリント用の金属粉末の製造には、「ガスアトマイズ法」と「回転電極アトマイズ法」が一般的に使用されています。

前者は高速気流を利用して液体金属流を粉砕して粉末を製造し、生産コストが低く、大規模な工業生産に適していますが、極めて小さな粒子サイズの粉末を製造することは困難です。後者は、酸素含有量が低く、球形度が高く、流動性が良好で、あらゆる金属粉末の製造に適していますが、粒子サイズが50ミクロン未満の粉末を製造することはほとんど不可能です。しかし、これら 2 つの方法はどちらも、航空 3D プリント技術の材料準備における困難を完全に解決することはできません。

さらに、製造プロセスにおいては、完全な溶解と組織制御をどのように達成するかなど、解決すべき基礎研究テーマや技術的なボトルネックが多数残っています。微細な穴の成長と粒子の配向を抑制するにはどうすればよいでしょうか?部品のシステムエラーをいかに制限するか… Pan Deng 氏は、3D プリントは航空分野で大きな可能性を秘めているものの、重要な問題に取り組む過程では、あらゆる段階で卓越性を追求することに加えて、「愚直な職人精神」がさらに必要だと考えています。さらに重要なのは、「異なる分野の企業や研究機関が共同艦隊を結成し、ポータルの概念を放棄し、協力し、力を合わせてこれらの技術的ボトルネックを共同で突破する必要がある」とパン・デン氏は強調した。

近い将来、中国で2機目、3機目の国産大型航空機にさらに多くの3Dプリント部品が使用され、中国の航空分野における3Dプリント技術の物語が続くことが予測されます。従来の製造技術は大規模な成形製品の製造に適していますが、3D プリント技術はパーソナライズされた、または洗練された構造製品の製造に適しています。 3Dプリント技術と従来の製造技術を組み合わせ、それぞれの長所を活かし、それぞれの利点を最大限に発揮し、製造技術をさらに強力にします。

アンタークティックベアは、3Dプリント技術の主な応用分野である航空宇宙には明らかな技術的優位性があると考えていますが、これは金属3Dプリントが万能であることを意味するものではありません。実際の生産では、その技術的応用において解決すべき問題がまだ多く残っています。たとえば、3D プリンティングは現在、大規模生産に適応できず、高精度の要件を満たすことができず、高効率な製造を実現することができません。さらに、3D プリントの発展を制限する主な要因は、その機器の高コストです。ほとんどの民間分野では、このような高額な機器製造コストを負担することはできません。しかし、南極熊はまた、材料技術、コンピュータ技術、レーザー技術の継続的な発展により、製造コストが下がり続け、製造業の生産コスト負担能力が満たされると考えています。その時、3Dプリントは製造分野で輝くでしょう。

出典: Scientist Online 詳しい情報:
航空宇宙分野における3Dプリントの利点
3Dプリントが世界の航空エンジン産業の発展に与える影響の分析

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