GEの部品修理の秘密兵器：超音速コールドスプレー技術

数年前、ニューヨーク州北部のGE研究所で働く科学者たちが、壊れた部品を修理するための素晴らしいアイデアを思いついた。文字通り、この方法はコールドスプレー (「コールドスプレー」) と呼ばれます。この方法では、ノズルから超音速で小さな金属粒子を航空機エンジンブレードの表面に噴射し、ブレードの損傷部分に性能を変えずに新しい材料を追加します。

この技術は低温であるだけでなく、サイズにも制限がありません。GE グローバルリサーチセンターのコーティングおよび表面研究室のマネージャー、Anteneh Kebbede 氏によると、この技術では最大 1 インチ以上の厚さの新しい部品を作成できます。メーカーにとって、潜在的なメリットは莫大です。スプレーガンのようなツールを使って、古くなった部品を元の状態に戻すことができると想像してみてください。これは、損傷した部品の若々しさを取り戻すためのコードを解除するようなものです。 GEのエンジニアたちはこの技術の利用を次のレベルに引き上げ、今年初めにはGE Aviationの子会社であるAvio Aeroのエンジニアたちがイタリアでこの技術のテストを開始した。先月、彼らはGE90ジェットエンジンのギアボックスという部品の修理にこれを使用しました。
この部品修理は、コールドスプレー技術の応用における画期的な出来事となりました。コールドスプレー法は、材料を切り出すのではなく追加することで部品を製造する、いくつかの付加製造方法の 1 つです。

しかし、ハイテクな付加製造技術の分野においても、コールドスプレーは珍しい技術です。ほとんどの金属 3D プリンターは、レーザーを使用してチタンやその他の金属の粉末を加熱し、それらを融合して層ごとに新しい部品を構築します。 LENS 3D プリンティングを含むこれらの技術は、コンピュータファイルから直接新しいコンポーネントを構築するのに適していますが、既存の部品を加熱すると結晶構造と機械的特性が変化するため、プロセスと材料を非常に高度に制御する必要があり、プロセスの大規模な商業化は困難です。

ジェット機などの部品の場合、材料の融点以下の温度で修理する必要があることが多く、コールドスプレー技術はまさにこの要求を満たします。さらに、コールドスプレー技術は、大型構造部品の製造に特に適しています。しかし、現在のLENS 3Dプリント技術では、装置サイズの制限により、大型の構造部品を製造することは非常に困難です。コールドスプレー法はより大きな部品を製造できる可能性がありますが、唯一の制限は金属粉末を塗布できる領域のサイズです。

コールドスプレー技術の素晴らしい点は、溶接や機械加工を必要とせずにまったく新しい部品を作成できることに加えて、修理材料を部品に統合して、部品の元の機能と特性を完全に復元できることです。これにより、部品の耐用年数が数年、あるいは数十年にわたって実質的に延長され、最終的には顧客にとってより大きな価値が生まれます。

GE の Avio Aero では、コールドスプレープロセスはウォークイン冷蔵庫ほどの大きさの金属製チャンバー内で行われます。チャンバー内には、5ミクロンほどの小さな金属粉末粒子を部品に吹き付ける超音速ノズルを備えたロボットアームが収納されています。これらは非常に大きなエネルギーで表面に衝突し、部品と拡散結合を形成します。同研究所の修理開発エンジニア、ジュリオ・ロンゴ氏によると、粉末充填ガンからの各金属粒子は再構築の目的でコンポーネントに動的に取り付けられるという。

コンピューターモデリングファイルに基づいて部品を作成する、私たちが知っている3Dプリントとは異なり、コールドスプレーマシンは実際のジェットエンジン部品のデジタルスキャンを使用して、破損した部分を正確に再構築します。

コールドスプレー技術は1980年代半ばにロシアで初めて発明され、現在は主に機械メンテナンスに使用されています。米国では、この技術は軍事分野で最も広く使用されており、主に米軍のマグネシウム合金製ヘリコプター部品の修理に使用されています。ただし、使用される材料は銅、アルミニウム、亜鉛など、より柔らかい質感とより低い融点を持つ合金です。 GE の研究者にとっての課題は、この技術を 3D プリンティングと組み合わせて、高品質で高温のニッケルチタン合金部品を製造する方法です。 GE が開発したコールドスプレー技術は、3D 形状を構築したり、既存の金属構造や高価なコア材料を非破壊的に修復したりするために使用できます。

コールドスプレー技術は、材料、プロセス、製品機能の非常にユニークな組み合わせであり、近い将来、ローター、ブレード、シャフト、プロペラ、ギアボックスなどの航空機部品の修理や改造に使用されることが期待されています。コールドスプレーは、溶接などの一般的な修理プロセスのように加熱する必要がないため、修理対象物を元の状態に戻すことができます。 GE の石油・ガス事業では、GE の研究者が石油・ガス掘削およびターボ機械の修理または修復の代替技術としてコールドスプレーを研究しています。

ゼネラル・エレクトリックの研究者らが開発した「コールドスプレー」積層造形技術は、金属粉末を高速で噴霧して部品を製造したり、部品を修理したりする技術です。コールドスプレー技術は、GE の拡大する付加製造技術プログラムの一部となっています。 GE のテクノロジーディレクター、クリスティン・ファーストス氏は、このプロセスが今後 20 年間でアプリケーションの 50% を占めるようになると考えています。

出典: 3D Science Valley 詳しく読む: GE、造形サイズ1.1メートルの初の金属3Dプリンターをリリース

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