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1892 年、米国で 3 次元地形モデルの製造に関する特許が取得され、積層製造の原理が開拓されました。その後 100 年間で、同様の積層製造の特許が何百件も取得され、実際の技術探究は果てしなく続きました。しかし、ステレオリソグラフィー技術の誕生により、柔軟なニーズに迅速に対応することを主な応用目標とする現代の積層造形技術が、真に形を整えました。 CAD ソリッド モデルとそれをレイヤーに分割するソフトウェア テクノロジ、ガルバノメータ テクノロジ、CNC 工作機械、または任意の設定された軌道に沿ってレーザー ビームの動きを制御できるロボット アームがなければ、積層造形テクノロジの柔軟な機能は理想的な原理としてしか残らないと言えます。したがって、積層造形技術は、情報ベースの積層造形技術またはデジタル積層造形技術と呼ばれるべきです。
付加製造技術は情報化時代の代表的な製造技術として、強力に支援されるべき最先端技術であり、特に物理的な製造業への回帰という現在の世界的な潮流の中で、情報化時代の製造技術分野で我が国が国際的な主導的地位を占めることは、我が国の優先的な発展方向です。 レーザー立体成形は、成形統合の究極のニーズを満たすことができる積層製造技術です。ステレオリソグラフィー技術の誕生以来、多くの独創的な積層製造技術が生み出され、社会の生産性の発展を大きく促進してきました。
しかし、ほとんどの積層造形技術は主にラピッドプロトタイピングで使用されるため、かつては「ラピッドプロトタイピング」技術と呼ばれていました。しかし、積層造形の原理は成形に使用されるだけでなく、高性能のニーズにも応えることができます。レーザー立体成形技術は、精密成形と高性能成形の両方の要件を考慮した統合製造技術です。レーザー立体成形技術は、積層成形の原理とレーザークラッディング技術を組み合わせたもので、レーザー技術、コンピューター技術、数値制御技術、材料技術など、多くの現代の先進技術を統合して、高性能の高密度金属部品の迅速かつ自由な成形を実現します。
1990 年代以降、材料加工技術の発展には、工程の短縮、消費量の削減、柔軟性の高さ、環境への配慮、成形と組織のパフォーマンス制御の統合など、先進技術の追求という明らかな傾向がありました。この傾向は、複数のハイエンドの要求を同時に満たすという極端な要求を反映しています。この極端な需要は多くの分野、特に航空宇宙分野に反映されています。航空宇宙分野における金属材料加工技術に対する典型的な最先端の要求は、高精度、高性能、高柔軟性、迅速な応答性を組み合わせて、非常に複雑な構造の薄肉金属部品を形成することです。
鋳造、鍛造、溶接、粉末冶金などのさまざまな従来の技術は限界まで追求されていますが、それぞれの技術原理によってもたらされる根本的な制限により、このような極端な要求を満たすことは依然として困難であり、これが航空宇宙技術の全体的な発展を制限するボトルネックになることがよくあります。レーザー立体成形技術は、高性能高密度金属部品の急速自由成形の新技術として、上記のハイエンドの要求を同時に満たすという問題を解決するための新しい技術的アプローチを提供します。この技術は、医療用インプラント、船舶、機械、エネルギー、電力における複雑な一体型部品の高性能直接成形および迅速な修復の分野でも幅広い応用が期待されています。
大量生産と比較すると、多様なニーズを満たすパーソナライズされた製造には、本質的にコストがかかります。多様で個別化されたニーズに対応する従来の製造技術の使用と比較すると、情報ベースの積層造形のコストは大幅に削減されていますが、そのコストは大量生産のコストよりまだ高くなっています。そのため、より高い製造コストを許容できる新製品開発や航空宇宙などのハイエンド分野を除いて、他の分野におけるレーザー立体成形技術の応用と開発は依然として大きく制限されています。
しかし、あらゆる新技術の開発は、初期の高コストから低コストへと徐々にコストを削減するプロセスを経ます。レーザー立体成形は、製造コストをさらに削減する余地が広くあります。一方では、レーザーとその運用コストは継続的に低下しています。他方では、人件費がますます高くなるにつれて、レーザー立体成形のコストは、多くの人手を必要とする従来の加工技術のコストよりもますます低くなります。現段階では、レーザー立体成形は、主に高性能、小ロット、高速応答部品生産が求められる場面で競争力を発揮しており、今後は量産分野での競争力も徐々に高まっていくでしょう。
積層造形/レーザー立体造形技術の開発状況と動向 近年、レーザー立体造形技術は先進国の政府、大企業、研究機関から高い注目を集めています。米国政府は、米国製造業活性化計画の「We Can, t Wait」プロジェクトの一環として、2013年8月に、第一段階として政府と民間から7,000万ドルを投資し、国立付加製造技術イノベーション研究所（NAMII）を設立すると発表しました。オバマ大統領は、この研究所の設立はアメリカの製造業を強化するための一歩であると強調した。エアバスが2006年に開始したIntegrated Wing ATVP（第1フェーズの総資金3,400万ポンド）では、英国溶接協会（TWI）が400万ポンドの資金で着陸装置のレーザー成形の研究開発に着手しました。TWIはこの目的のために2セットのレーザー成形装置を構築しました。
南アフリカ科学技術産業研究所（CSIR）の国立レーザーセンターと南アフリカの航空宇宙製造会社AerosudがAeroswiftプロジェクトで協力します。エアロスイフトは、世界の航空業界向けにチタン金属アクセサリーを製造するための高性能金属部品の高速大容量レーザー積層造形（LAM）システムを独自に開発し、今後3年以内にエアロスイフトを航空構造材料製造の世界的リーダーにすることを目指しています。エアロスイフトは、2m×0.5m×0.5mの部品を直接加工することを目指しています。この目的のために、南アフリカ科学技術省は2,800万ランド（約1,712万元）を投資しており、LAM製造システムは2012年末から2013年初めまでに完成し、テストされ、その後最適化とプロセスの特定が開始され、2015年から本格的な生産が開始される予定です。
米国のボーイング社、ロッキード・マーティン社、ゼネラル・エレクトリック・エアクラフト・エンジンズ社、サンディア国立研究所、ロスアロモス国立研究所、欧州のEADS社、英国のロールス・ロイス社、フランスのSAFRAN社、イタリアのAVIO社、カナダ国立研究所、オーストラリア国立科学研究センターなどの大企業や国立研究機関は、レーザー立体成形技術とその航空宇宙分野への応用について広範な研究を行ってきました。この研究には世界的に有名な大学が数多く参加しています。
注目すべきは、米軍がこの技術開発にかなりの注目を払ってきたことだ。米国は直接的な支援を得て、2000年にこの先進技術の実用化を主導した。適用対象としては、チタン合金製ブラケット、ラグ、フレーム、ビーム等の先進航空機荷重支持構造部品、ニッケル基高温合金単結晶ブレード等の航空エンジン部品、戦術ミサイル、人工衛星、ミサイル誘導ハウジングシートやミサイル姿勢制御システムのレニウム燃焼室等の超音速航空機の薄肉構造部品等が挙げられます。 2002 年 10 月、同社は米国国防兵站局から 1,940 万ドルの投資を受け、純粋な技術研究開発会社から、軍用機および民間機向けの認定を受けた信頼性の高いチタン合金構造部品レーザー立体成形製造サプライヤーへと変革しました。
私の国はレーザー立体造形技術の分野では世界最先端のレベルにあります。西北工業大学は1995年に中国で初めて、極めて高性能（鍛造品と同等）の部品を得ることを目標にレーザー立体成形の技術概念を提唱し、過去17年間にわたりレーザー立体成形技術の体系的な研究を継続し、材料、プロセス、設備、応用技術を含む完全な技術体系を形成してきました。航空宇宙などのハイテク分野における構造部品の高性能、軽量、一体化、精密成形技術の切実な要求に応えるため、当社はチタン合金、耐熱合金、超高強度鋼、傾斜材料のレーザー立体成形プロセスの研究を行い、構造部品の軽量、高剛性、高強度、一体化成形、応力変形と冶金品質管理、成形部品の組織特性の最適化などのキーテクノロジーでブレークスルーを達成しました。
航空機の多数の重要な構造部品のレーザー成形と修復は、航空機のミッション開発の過程で緊急に解決する必要がある重要な技術的問題を解決し、航空機の開発と生産に強力な技術サポートを提供しました。大型チタン合金部品のレーザー立体成形は、大型部品の変形制御、幾何寸法制御、冶金品質管理、システム設備などにおける一連の難題を解決した。C919大型航空機のTC4翼リブの上縁と下縁のストリップ部品の試作に成功した。このような部品のサイズは450mm×350mm×3000mmである（図1）。成形後の長期放置後の最大変形は1mm未満、静荷重機械特性の安定性は1％以上、疲労性能も類似の鍛造品よりも優れている。
先進的な航空機構造部品向けに特別に設計されたレーザー成形修理装置は、最大5000mm×600mm×3000mmの寸法の部品を修理できます。レーザー複合製造および成形修理は航空業界で広く使用されています。この技術の研究と応用には、大型機械設備の主要部品の高性能な迅速修理や、口腔金属インプラントの成形と医療臨床研究も含まれます。レーザー立体成形加工設備の構築において大きな進歩が遂げられ、我が国の商用レーザー立体成形加工設備の製造においてゼロからの進歩が達成されました。 2012年現在、西北工業大学は、GE中国研究センターをはじめ、航空宇宙分野の国内大手企業や研究機関にレーザー立体成形・修復設備5台を提供し、この分野で大きな影響力を生み出しています。レーザー立体造形装置に関しては、西北工科大学を除いて国内で商用レーザー立体造形装置を提供している組織はない。
現在、西北工科大学は一連の固定式および移動式レーザー立体成形加工装置を開発しています。異なるアプリケーション特性に応じて、CO2ガスレーザー、YAG固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザーがそれぞれ使用されます。成形雰囲気中の酸素含有量は10ppm以内に制御できます。溶融池の温度、サイズ、堆積層の高さに対するリアルタイム監視およびフィードバック制御システムを備え、独自に開発した材料供給装置、成形CAPP / CAM、統合制御ソフトウェアを備えています。高活性チタン合金、アルミニウム合金、ジルコニウム合金の複合構造部品を含むさまざまな金属材料の金型フリー、迅速なニアネット成形、修理、再製造を実現できます。図2は、ノースウェスタン工科大学が開発したLSF-V型レーザー立体成形・修理・再生商用装置です。表 1 は、世界でも比較的技術的成熟度の高い市販のレーザー立体成形装置の主な特徴を比較したものです。西北工科大学が開発したLSFシリーズレーザー立体造形装置の多くの指標が国際的にトップレベルにあることがわかります。
成形と修復は、レーザー立体成形技術の非常に評価の高い開発方向です。大いに注目に値するトレンドの一つは、義肢の修復技術です。レーザー立体成形技術は当初、主に高密度金属部品の高性能高速製造技術として開発されましたが、業界では高性能成形修復技術としての大きな技術的利点にますます注目しています。航空宇宙分野に加え、機械、エネルギー、造船などの分野でも大型設備の高性能・迅速修理が求められており、レーザー立体成形技術への切実な需要が高まっています。米国はレーザー立体視技術を利用して、レーザー立体視システムを搭載した航空機、陸上・海上システムなど、年間40億ドル相当の軍事装備資産を維持していると報告されている。
製造コストが高いインテグラルブレードディスクを例にとると、近年ではGE、H&Rテクノロジー、オプトメック、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所など多くの研究機関がインテグラルブレードディスクのレーザー成形・修復技術の研究を行っています。 2009年3月、米国におけるレーザー修復技術の実用化のリーダーであるオプトメック社は、レーザー成形修復技術を使用して修復されたT700一体型ブレードが軍の振動疲労検証テストに合格したことを発表しました。米軍は、損傷した装備に必要な金属部品を現場の必要な場所の近くで迅速に製造するため、「野戦部品病院」にレーザー光造形装置を導入した。これらのレーザー立体形成装置は、クウェート、イラク、アフガニスタンの軍事基地に配備されています。
レーザー立体成形をベースとしたレーザー複合製造技術は重要な技術開発方向です。レーザー製造技術と鍛造、鋳造、機械加工などの伝統的な製造技術を組み合わせてレーザー複合製造技術を形成することは、レーザー立体成形技術の非常に重要な技術開発方向です。単一のテクノロジーだけでは、あらゆるプロセス要件を完璧にカバーすることはできません。複数のテクノロジーを組み合わせて互いの長所を補完することが、最も適切な選択です。レーザー立体成形技術のプロセス柔軟性と柔軟性により、それに基づくレーザー複合製造技術の開発は大きな実用的価値を持ちます。
最も重要なことは、レーザー立体成形技術は異種材料を高性能の一体型部品に組み合わせることができることであり、これはレーザー複合製造の技術的アイデアを実用化するために必要な基礎となります。米国のサンディア国立研究所は、レーザー立体成形技術を用いた「フィーチャー付加」（「フィーチャー構造成長製造」とも言う）研究を実施しました。レーザーは機械加工されたディスク上に薄壁の複雑な構造を直接堆積し、電子機器ブラケットのレーザー複合製造を実現しました。このような構造的に複雑な部品の場合、従来の鋳造プロセスには、複雑な構造のために鋳造プロセス自体が困難であること、電子機器ブラケットの鋳造サイクルが52週間と長いなど製造サイクルが長いこと、製造コストが高いことなど、大きな問題があります。レーザー複合製造を採用した後、構造部品の製造サイクルは3週間に短縮され、コストは65％削減され、構造部品の重量も軽減されました。
レーザー立体成形技術について、材料、プロセス、設備の面での基礎研究をさらに深めることは、レーザー立体成形技術のさらなる急速な発展と大規模な応用を支援する上で重要な役割を果たすでしょう。この特徴は、レーザー立体成形がレーザー、機械、CNC、材料を含む新しい学際的技術であるという事実に関係しています。上述の多分野にわたる能力を備えたハイレベルの研究チームを統合して形成することにより、レーザー立体成形のさらなる発展に影響を与える重要な科学技術問題について詳細かつ体系的な研究が行われ、レーザー立体成形技術の発展にとって大きな意義を持ちます。
優先開発分野または主要な研究方向に関する提案
レーザー立体造形における材料とプロセスに関する基礎研究および工学研究。レーザー立体成形は、レーザー、機械、CNC、材料などが関わる新しい多分野横断的な技術であり、その開発時間は非常に短いです。鋳造、鍛造、溶接、粉末冶金、機械加工などの伝統的な製造技術と比較すると、その技術的成熟度はまだ大幅に遅れており、体系的で徹底した基礎研究と工学研究が必要です。これは、レーザー立体成形技術が産業と科学技術の実践に広く応用されるために必要な基礎であり、戦略的指揮統制高地を占めるこの新しい技術の長期的な競争と開発において、我が国が西側先進国に遅れをとらず、主導権を握るために努力することも必要です。
高度な設備技術。あらゆる高度な産業技術は、高度な設備技術に組み込まれていなければなりません。レーザー立体成形設備は、レーザー、機械、CNC、プロセスソフトウェア設計、温度と化学環境の検出と制御、成形材料の特性など、多くの要素の相互作用と技術的統合を伴い、高度な専門チームと技術条件の緊密な調整により、高水準の設備を設計・製造する必要があります。高度なレーザー立体成形装置の設計・製造技術を保有することは、我が国が積層造形技術分野で発展させなければならない中核的な競争力でもあります。
高性能レーザー成形修理・再生技術。高性能レーザー成形、修理、再製造の市場需要は、直接成形の市場需要よりもはるかに広い可能性があります。将来の社会の発展は、必然的に材料と資源の保全とリサイクルにますます重点を置くことになります。この分野の開発は、早期に計画および手配する必要があります。 レーザー複合製造技術。レーザー複合製造は、情報化時代の代表的な技術である積層造形技術の特徴を最大限に発揮することができます。レーザー立体成形技術を核として、さまざまな伝統的な製造技術の利点を組み合わせ、さまざまな技術の欠点を回避すれば、情報化時代の製造技術の飛躍的な発展を確実に導くことができます。
編集者: 南極熊 著者: 黄偉東
(Professor, doctoral supervisor. In 2001, he was appointed as a "Changjiang Scholar Distinguished Professor". He is currently the director of the State Key Laboratory of Solidification Technology at Northwestern Polytechnical University. He is also a member of the Expert Committee of the Aviation Science Fund, a member of the Laser Processing Professional Committee of the Chinese Optical Society, a member of the High Energy Density Heat Treatment Technology Committee of the Chinese Heat Treatment Society and the Director of the Youth Work Committee, a director of the Chinese Doctoral Association, and the Director of the Academic Exchange Branch of the Academic Committee of the University. Huang Weidong is mainly engaged in research on solidification and crystal growth theory, laser surface treatment and laser processing new technologies. He won 1 first prize and 1 second prize in the National Education Commission Science and Technology Progress Award, 1 second prize in the Aviation Industry Corporation of China Science and Technology Progress Award, and 4 provincial and ministerial awards. In 1998, he won the National Outstanding Youth Science Fund. In 1999, he was selected into the National Hundred Thousand Talents Project. He has successively won the honorary titles of "Chinese Doctoral Degree Recipients with Outstanding Contributions" by the State Education Commission and the State Council, "Chinese Doctoral Degree Recipients with Outstanding Achievements" by the Ministry of Aerospace Industry, "Outstanding Young Teachers of the Ministry of Aerospace Industry", and "Young and Middle-aged Science and Technology Experts with Outstanding Contributions" by the Aviation Industry Corporation of China)
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