金属3Dプリントが従来の製造方法を変える

▲Arcamの電子ビーム金属3DプリンターQ20と出力サンプル<br /> 付加製造は、金型を使わない高速自由成形、完全なデジタル化、高い柔軟性などの技術的特徴を備えており、ほぼ無限の複雑さを持つ幾何学的構造を作り出すことができ、ほとんどの種類の材料の製造に適用できます。新製品の迅速な開発、パーソナライズされた製造、従来の技術では扱いが難しい極めて複雑な構造部品、製品機能を大幅に向上させる最適化された設計など、これらはいずれも積層造形の重要な応用方向です。

中国共産党第19回全国代表大会の報告は、製造強国の建設を加速し、先進製造業の発展を加速し、インターネット、ビッグデータ、人工知能と実体経済の深い融合を推進し、中高級消費、イノベーション主導、グリーン低炭素、シェアリングエコノミー、現代サプライチェーン、人的資本サービスなどの分野で新たな成長点を開拓し、新たな勢いを形成しなければならないと指摘した。これは我が国の科学技術企業の発展の方向性を示しています。

インターネットと製造業の深い統合の産物として、3D プリント技術は、従来の製造業の変革とアップグレードに無限の新しい可能性をもたらしています。インターナショナル・データ・コーポレーション（IDC）は、世界の3Dプリンティング市場が今後5年間で年平均成長率22.3%で拡大し、2020年には289億米ドルに達すると予測しています。

複雑な部品の精密製造

米国材料試験協会の付加製造技術委員会は、3D プリンティングを「プリントヘッド、ノズル、またはその他の印刷技術を使用して材料を堆積させることで物体を製造すること」と定義しています。近年、3Dプリント技術は急速に発展しました。

3D プリンティングは通常、低コストでシンプルな機能のデスクトップ機器を使用した積層造形、つまり一般向けの普及版の積層造形を指します。では、積層造形とは何でしょうか?西安ポリライト・アディティブ・テクノロジー株式会社の北部地域マネージャーである左全山氏は、材料をデジタルで追加して製造することを付加製造と紹介した。それに応じて、従来の機械加工方法は「減算製造」であり、鍛造または鋳造方法は「等方性製造」です。

▲オートデスクが設計し3Dプリントした金属製シートフレームは重量を56%削減
「付加製造には、金型を使わない急速な自由成形、完全なデジタル化、高い柔軟性などの技術的特徴があります。ほぼ無限の複雑さの幾何学的構造を作り出すことができ、ほとんどの種類の材料の製造に適用できます。」左全山氏は、新製品の迅速な開発、パーソナライズされた製造、従来の技術では対応できない非常に複雑な構造部品、製品機能を大幅に向上させる最適化された設計はすべて、付加製造の重要な応用方向であると述べました。

積層造形技術は幅広い応用の可能性を秘めていますが、印刷された物体の構造に気孔があるため、3D プリントには致命的な欠陥があると考える人もいます。この点について、清華大学天津先進設備研究所付加製造技術研究所副所長の郭超氏は技術レベルと応用レベルから説明した。郭超氏は「この現象は確かに存在するが、すべての材料にこの現象が起こるわけではない。X線断層撮影により、電子ビーム3Dプリントの密度は99.96％に達し、非常に高く、最大密度に近いことがわかった」と述べた。

Guo Chao 氏が言及した電子ビーム 3D プリントは、実際には金属 3D プリントの一種です。郭超氏は、3Dプリントは革命的な生産方法であり、金属3Dプリントはこの「革命的な生産方法」の重要なタイプであると述べた。

「金属3Dプリントは、クラッディングとパウダーベッドの2種類に分けられます」と郭超氏は言う。「前者は生産効率が高く、通常は大型部品のプリントに適していますが、精度が十分ではなく、非常に明らかな層別化が見られます。後者の最大の特徴はその精度で、小型・中型部品や複雑な形状の部品の生産に使用できます。」エネルギー源の観点から、パウダーベッドプリントはレーザーと電子ビームに分けられます。「現在、レーザーで印刷する部品の長さは約1メートルです。」

より高い機械的特性を得る

金属 3D プリント技術が徐々に産業界に応用されるにつれて、関連するいくつかの機械的特性の問題も、学者や業界関係者の間で考えられています。技術的な構想段階では、金属積層造形技術によって極めて高い機械的特性を実現できるかどうかという疑問がよく生じます。試作製造の専門家の中には、既存のラピッドプロトタイピング技術で得られる部品の性能は高くなく、試作製造にしか使用できないと主張する人もいます。技術開発期間中、鋳造材料はどのようにして鍛造品の性能を達成できるのかという疑問が湧きます。

実際、金属 3D プリント技術の応用と変革が深く進歩するにつれて、これらの質問に対する答えは徐々に明らかになりつつあります。左全山氏は、金属積層造形製品の機械的特性は主に3つの側面で表れると述べた。粉末形成から小さな溶融池凝固まで、基本的にマクロ的な偏析がなく均一な組成、緻密な材料、滑らかな固体/液体界面、十分な収縮を実現する能力、そして迅速な凝固を実現できる微細構造である。このことから、「付加形成の原理は、極めて高い機械的特性を達成する可能性を排除するものではない。形成点の材料特性が高く、点、経路、層間の良好な組み合わせがある限り、金属付加製造技術は極めて高い機械的特性を十分に達成できる」ことがわかります。

▲フランスのProdways社がRapid Additive Forging（RAF）技術を使用して3Dプリントした金属部品
鋳造材と鍛造品の性能について、左全山氏は「なぜ一般的に鍛造品の方が鋳造品より優れているのでしょうか。材料科学の観点から見ると、鋳造品の性能が低い主な理由は、収縮、粗い組織、不純物の集中分布です。金属3Dプリントレーザー立体部品は、均一な組成、緻密な材料、微細な組織、均一な不純物分布という明らかな特徴があり、鋳造材の欠陥を補っています」と語る。

さらに、一部の品質専門家は、エンジニアリングアプリケーション期間中の金属 3D プリントコンポーネントのパフォーマンスについて懸念を表明し、ポイントごとの製造によって全体的なパフォーマンスの一貫性をどのように維持できるかを指摘しています。鋳物や鍛造品の成形条件は本当にどこでも同じなのでしょうか？この点について、左全山氏は、金属積層造形のポイントバイポイント成形はポイントバイポイントの制御条件を提供するため、部品全体の成形条件の一貫性を高く保てる可能性が高くなると述べた。「もちろん、この高い一貫性は、部品成形プロセスに関する包括的かつ深い科学的理解と、機器の高度な制御精度を前提としています」とZuo氏は付け加えた。「より高い機械的特性を実現する可能性は、実際には積層造形用の特殊合金システムの開発にあります。」

3D プリントの機械的な問題も、Guo Chao 氏が研究中に直面した重要な問題です。「3Dプリント、特に金属3Dプリントについて知っている人は、3Dプリントにおいて特に重要な考慮事項は、印刷プロセス中の応力を軽減し、変形を避けることであることを知っています」と郭超氏は述べた。「温度差が大きいほど、応力は大きくなります。現在の金属電子ビーム技術は、エネルギー密度と粉末ベッド温度が高く、製造と熱処理の統合を実現できます。印刷プロセス中に変形したり割れたりすることは容易ではなく、従来の製造方法における金属材料のその後の熱処理プロセスも必要ありません。」

伝統工芸の課題を解決する

現在、金属3Dプリント技術は主に航空宇宙、医療インプラントなどの分野で使用されています。郭超氏は、航空宇宙分野ではレーザー3Dプリントの用途は多岐にわたるとし、「軽量で複雑な構造物の製造が可能であり、電子ビームの『キラーレベル』の応用は、現在の業界でも非常に古典的な応用である航空機エンジンの低圧タービンブレードである」と述べた。航空用チタンアルミニウム合金ブレードの製造コストは精密鋳造に近いが、重量は30％軽量である。「今後10年間で、従来の鋳造プロセスを3Dプリントに置き換えることは止められないトレンドになると予測されます。」

左全山氏は、航空宇宙分野における金属積層造形技術の応用は、高性能修理、極めて複雑な構造部品の製造、機能強化、軽量化の4つの側面に反映されていると紹介した。アメリカのエアロメット社を例に挙げると、同社は金属積層造形におけるレーザー立体成形技術を利用して、F15戦闘機の翼梁のメンテナンス周期を1週間に短縮し、F15機体の腐食・損傷した部品の交換周期を大幅に短縮しました。ローザンヌのスイス連邦工科大学では、レーザー立体成形技術を使用して単結晶タービンブレードを修復しています。単結晶タービンブレードの修復において、損傷したブレードのレーザー修復時間は、ブレード 1 枚あたりわずか 1 ～ 3 分です。

▲シーメンスの3Dプリントガスタービンブレードは1250℃、13,000rpmのテストに合格した
近年、医療用インプラントは標準化からパーソナライゼーションへと急速に発展してきました。郭超氏は、「現在、国内外の市場では標準化されたインプラントが依然として一般的に使用されています。次のトレンドはパーソナライゼーションです。つまり、各骨インプラントはサイズだけでなく、形状や外観も異なります。」と述べました。CTスキャン技術と密接に統合することで、3D電子ビーム印刷は患者の特定の状況に応じて骨をカスタマイズできます。「スキャンした結果は、デジタル方式によって必要な修復物に素早く変換できます。図面を送信することで、物理的なコンポーネントを直接作成できます。72 時間以内にインプラントが医師に届き、患者は手術を受けることができます。」

「3D プリントされた骨部品の非常に顕著な特徴は、その表面にある特殊な二次グリッド構造です。これは、人間の骨をシミュレートするバイオニック構造です。この構造を人体に移植すると、骨は電子ビームプリントされた部品に直接成長し、非常に優れた生物学的固定を形成します。これは、電子ビーム 3D プリントが現在医療業界で非常に人気がある理由でもあります。」郭超氏は、「わずか 5 ～ 6 年で、整形外科における 3D プリントの応用がすぐに医療業界全体をカバーするようになるでしょう。」と考えています。

今後、郭超氏は、金属 3D プリント技術が、電子銃、補助電源、集束スキャンコイル、高さコイルドライブなどのコアコンポーネントの独立性にさらに重点を置くようになることを期待しています。「3Dプリントは体系的なプロジェクトであり、完全なソリューションです。粉末材料からプロセスパラメータパッケージ、粗さ、密度、化学組成、強度、疲労などの特性に至るまで、コア材料とプロセスの自律性に焦点を当て、「材料パラメータ性能」データベースを形成する必要があります。」また、郭超氏は、「『3Dプリント+』がより民生的な方向に重点を置くことを期待しています。これは、3Dプリントの今後の発展における重要なトレンドでもあります。」と述べました。

さらに読む：「お知らせ：CCTV2、中国共産党第19回全国代表大会特別レポート、新京河金属3Dプリント、中国は革新し奇跡を起こす」

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出典:サイエンスネット

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