【分析】大型鋳鍛造品分野における3Dプリント技術の応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-7-4 16:59 に最後に編集されました。

現在、3Dプリント技術の応用と研究は、主に航空宇宙、電子、医療などの分野における精密部品の加工と修理に集中しており、鉄系金属を主原料とする大型鋳物や鍛造品の分野での応用はほとんどありません。火力発電の主軸、原子力発電のヘッド、タービンブレードなどの大型鋳鍛造品は、重量が数十トンから数百トンに及びますが、現在の金属3Dプリント技術の平均処理速度は1kg/hで、材料費は1kgあたり数千元であり、大型鋳鍛造品一体型3Dプリント技術で大型鋳鍛造品を製造することは不可能です。しかし、これは 3D プリント技術が大型鋳造品や鍛造品の分野で広く使用できないことを意味するものではありません。

3Dプリント技術は、適切に適用されれば、鋳造、鍛造、溶接と同様に、大型鋳鍛造品の製造において欠かせない重要な生産プロセスとなり、大型鋳鍛造品業界における技術革新、コスト削減と効率向上、品質向上に重要な役割を果たすことができます。本稿では、他の分野における金属および非金属 3D プリント技術の現在の研究成果を参考にして、将来的に鉄系金属を主とする大型鋳鍛造品の分野における 3D プリント技術の応用方向を分析し、大型鋳鍛造品産業の発展に参考を提供します。

1 金属材料3Dプリント技術
3Dプリントされたチタン合金製の大型一体型主荷重支持構造部品などの大型部品用金属材料の性能は、鍛造品のレベルに達するか、それに近づくことができます。ターボファンエンジンブレードの補修用3Dプリント技術は、3Dプリントと部品マトリックスを組み合わせた領域の性能を実現し、部品の要件を満たしています。従来の溶接と比較して、金属 3D プリント修復には次の特徴があります。
（１）熱影響部が小さく、マトリックス構造の応力分布に影響を与えない。
（２）加熱およびその後の熱処理が不要である。
（３）３Ｄプリント構造はマトリックスと冶金的に密接に結合しており、その性能は部品の元の構造に近い。
（４）３Ｄプリントされた部分の微細構造と性能は鍛造品のレベルに達する。
（５）自動制御、処理余裕が少ない。

1.1 大型鍛造品の部分的な 3D プリント AP1000原子力発電主管を例にとると、設計上、全体的に超低炭素窒素制御ステンレス鋼鍛造品の使用が求められている。鍛造品生産における主な難関は、2つのノズルの成形であり、鍛造品の材料利用率は15％未満である。 3Dプリント技術を使用したターボファンエンジンブレードの修理にヒントを得て、原子力発電の主管の成形は、ステンレス鋼管の鍛造または押し出し+ 3Dプリントノズル成形に簡素化できます。この方法により、原子力発電の主管の生産難易度とコストを大幅に削減できます。

原子力発電の主管やマルチノズルヘッドなど、局所的に成形が難しい大型鍛造品は、鍛造本体＋局所部品の3Dプリントで成形できます。この方法により、鍛造品の生産難易度、コスト、サイクルが大幅に削減され、鍛造品の全体的な品質が保証されます。さらに、大型鍛造品のローカル 3D プリントのアイデアは、大型部品の 3D プリントおよび溶接技術にまで拡張できます。 3D プリント領域と 3D プリント領域が基板と組み合わされる領域の金属材料特性が鍛造要件を満たすことができれば、将来的には 3D プリントされた溶接鍛造品が一体型の大型鍛造品の代替として使用できることを示しています。

1.2 大型鍛造品の欠陥の修復 大型鍛造品の表面や内部の過度の欠陥、材料不足による鍛造品の加工代不足などの品質問題は、鍛造品の全面的な廃棄につながる可能性があり、多大な経済的損失とエネルギーの浪費につながります。溶接構造は鍛造構造に比べて性能が低いため、一般的に溶接による修理は認められていませんが、金属3Dプリント技術の登場により、この状況は一変する可能性があります。現在、金属3Dプリントの一部の材料の性能は鍛造品のレベルに達しており、3Dプリント組織と鍛造マトリックスの組み合わせが鍛造品の要件を満たすことができれば、3Dプリント技術を使用して大型鍛造品の欠陥部分を局所的に修復し、鍛造品の合格率を向上させることができます。将来的には、3Dプリント技術の向上により、大型鋳物が溶接で修理できるのと同様に、大型鍛造品も3Dプリントで修理できるようになる。これは、大型鍛造品の生産プロセスにおける革命的な進歩となるだろう。

1.3 発電機ローター、タービンブレード、船舶クランクシャフトなどの大型部品のオンライン修理。部品の使用中に、局所的な亀裂、摩耗、変形などの故障問題が発生します。従来の修理溶接方法では、機械加工→予熱→溶接→機械加工→熱処理などのプロセスを経て修理する必要があります。修理作業は大規模な専門設備で行う必要がありますが、修理箇所の性能は部品の元の構造よりも低下するため、修理コストと修理サイクルが増加し、修理効果も理想的ではありません。ロボットと3Dプリント技術を組み合わせたポータブルで移動可能な金属3Dプリント装置は、この状況を変え、大型部品のオンサイト修理、さらにはオンライン修理を実現します。大型部品を修復するためのロボット金属 3D プリント技術の具体的な手順は次のとおりです。
（１）補修計画を決定し、補修箇所の前処理を行う。
（２）３Ｄイメージング技術を用いて修復箇所の３Ｄリバースモデリングを行う。
（３）修復箇所の３次元モデルをマニピュレータの移動経路に変換する。
（4）3Dプリントパラメータを決定し、ロボットを配置し、修復を実行する。
（５）補修箇所の表面処理及び検査

1.4 大型部品の表面処理 金属3Dプリント技術の重要な発展方向は、複数の材料と傾斜材料の3Dプリントであり、この分野の研究成果は、特に複雑な構造や機能を持つ大型部品の表面処理に応用できます。電気メッキ、溶射、化学蒸着などの従来の金属表面処理方法と比較して、金属3Dプリント技術はレーザーコーティングプロセスの延長と見なされており、強力な結合層、大きく制御可能なコーティング厚さ、デジタル制御、幅広い材料などの利点があり、大型部品の局所的な修正と強化に明らかな利点があります。

1.5 金属材料3Dプリント技術の研究焦点 現在の金属 3D プリント技術の発展状況によれば、上記の研究方向は技術的に実現可能であり、多くの技術が小型部品に適用されています。金属 3D プリント技術をできるだけ早く大型鋳造・鍛造品の分野に適用するためには、現時点では以下の点に重点を置く必要があります。
（１）材料：大型鋳物や鍛造品に使用される鉄系合金は、チタン合金や高温合金に比べると構造が比較的単純であり、材料コストの抑制が鍵となります。
（２）設備現在、3Dプリント設備の作業面のサイズと耐荷重能力には限界があり、大型鋳鍛造品の局所的な加工要件を満たすことができません。将来的には、より柔軟で便利な加工設備の開発が必要になります。
（３）システム面3Dプリントの製造と修理には、3次元逆解析、モデリング、2次元パス変換などの操作が必要です。しかし、大型の鋳物や鍛造品は主に小ロットで生産され、欠陥は非常にランダムです。そのため、将来的には、対応するソフトウェアと操作を統合して生産効率を向上させる必要があります。
（４）プロセスの側面金属 3D プリントのプロセスパラメータを継続的に最適化することで、大型鋳造品や鍛造品の特殊な要件にさらに適応し、ひび割れ、変形、脱落などの欠陥を防止します。
（５）パフォーマンス原子力、火力、大型圧力容器などの大型部品に3Dプリント技術を長期にわたって活用できるようにするためには、長期クリープや低サイクル疲労などの基礎的な材料実験データを長期間にわたって蓄積する必要があります。
（6）標準問題小型部品とは異なり、大型鋳鍛造品の修理・製造では安全な生産が重視されており、さまざまな生産・品質基準の欠如がこの分野の3Dプリント技術の発展にとって重要なボトルネックとなっており、基準の策定にも長い時間がかかります。

2 非金属材料3Dプリント技術 3Dプリント技術は、ワックスラピッドプロトタイピングとサンドラピッドプロトタイピングを主とし、小型精密鋳造や鋳物のラピッドプロトタイピングの分野で広く利用されており、大規模化の傾向にあります。現在、2メートルを超えるモデルを製造できます。蒸気タービンのシリンダー、水力発電ユニットのブレード、冶金装置のフレームなど、重量（20〜500）トンの大型鋳物は、一般的に木型＋砂型鋳造で生産されており、3Dプリント技術はまだ生産・製造に使用されていません。

2.1 大型鋳造モデルの3Dプリント 非金属材料の3Dプリント技術は、複雑なモデルの迅速な構築を実現できます。生産バッチが大きく、形状が複雑で表面要件が高い大型鋳物の場合、木製の金型全体または一部を置き換えることができるため、大型鋳物の生産サイクルを効果的に短縮し、鋳物の生産品質を向上させます。 3D プリント技術を使用して大型モデルを構築するプロセスでは、成形速度が遅い、変形が激しい、コストが高いなどの問題がありますが、その解決策はいくつかあります。
（１）３Ｄプリントワイヤの直径を大きくして処理速度を上げる。
（２）マルチノズル設計を採用し、処理速度を向上させる。
（３）複数の小型装置が並行して動作し、接着されて大きなモデルを形成し、処理速度を向上させる。
（４）３Ｄプリンター装置に断熱装置を追加し、部品の変形や反りを軽減する。
（５）3Dプリントパラメータを最適化し、モデルの変形やひび割れを軽減する。
（6）3Dプリント材料を最適化し、モデルの品質を確保しながら材料コストと使用量を削減する。
（7）木型ベースの接合と接着のローカル3Dプリントソリューションを採用し、生産コストを削減し、製造サイクルを短縮します。

2.2 大型鋳造用砂型の3Dプリント 砂材料3Dプリント技術の原理は、低出力レーザーを使用して樹脂砂を層ごとに焼結し、最終的に複雑な砂型を形成することです。現在は主に中小型の複雑な鋳物の迅速な製造に使用されています。 3D プリント技術を使用して大型の鋳造砂型を製造すると、次のような利点があります。
（１）現在大型鋳物に使用されている逆箱型造形法では、抜き勾配に対する要求が高いが、３Ｄプリント砂型では抜き勾配に対する要求がなく、負の抜き勾配も実現できる。
（２）３Ｄプリントされた砂型は、鋳型製作や逆成形を必要とせずに非常に複雑な鋳物を生産することができるため、鋳物の形状に対するプロセスの制約から脱却できる。
（３）３Dプリント砂型は生産サイクルを短縮し、少量生産の大型鋳物のコストを削減します。

大型鋳造品に 3D プリントされた砂型を使用する際の主な困難は次のとおりです。
（１）パフォーマンスの問題大型鋳物は幾何学的寸法が大きいため、3D プリントされた砂型の強度を向上させる必要があります。 3Dプリント砂型は密度が高く、ガス排出量が多いため、大型鋳物の製造工程で多くの欠陥が発生する可能性があり、欠陥を解決するには、実験を通じて具体的な工程対策や原材料比率を分析する必要があります。
（２）速度の問題現在の3Dプリントの速度は遅く、処理速度を上げる方法は基本的に模型3Dプリントと同様です。
（３）設備の問題大型砂型は強度が低いため、輸送工程をできるだけ短くする必要があります。そのため、製造設備は鋳造工場内に設置するのが最適です。現在、3D プリント技術を使用して大型鋳物の一体型砂型を直接製造することはできませんが、3D プリントされた砂型を大型鋳造砂型のインサートや砂コアとして使用して、鋳物の複雑な局所領域を形成することは可能です。

将来、大型鋳物を生産する最も経済的かつ効果的な方法は、非金属材料の3Dプリント技術、従来の鋳造生産技術、数値シミュレーション技術を組み合わせることです。具体的なプロセス手順は次のとおりです。
（１）生産部門は部品図面と模型を受け取り、鋳造品と鋳造システムの予備設計を開始する。
（２）鋳造物の変形や割れなどの要因を総合的に考慮し、有限要素法ソフトウェアを用いて鋳造構造と鋳造システムの設計を最適化する。
（３）最適化されたモデルを分解し、モデルベース部分を伝統的な木型で形成し、複雑な幾何学的サイズの部分をモデル３Ｄプリントで形成し、両者を結合して最終的な鋳造モデルを形成する。
（４）複雑な形状や負の抜き勾配を持つ鋳物の部品は砂型３Ｄプリントで形成される。
（５）３Ｄプリントされた砂型を大型鋳造砂型に埋め込み、モデルを組み合わせることで最終的な大型鋳造砂型を生成する。
3Dプリント技術によって製造された模型と砂型は、手動操作なしでデジタルモデルから物理モデルに直接変換されるため、模型の表面品質が向上し、鋳造生産サイクルが短縮され、鋳造構造に対する従来のプロセス方法の制限が排除され、鋳物の材料利用率が向上し、鋳造欠陥が減り、鋳造コストが削減されます。

3D プリント技術は、部品加工の普遍的な手段として、製品設計、生産サイクル、生産コストなどの生産要素に対する従来の加工方法の制約から大きく解放され、従来の製造業の変革とアップグレードに向けた新たなアイデアを切り開きました。 3D プリント技術は、大型鋳造および鍛造品の生産分野で大きな発展の余地があります。金属 3D プリント技術は、大型鋳造および鍛造品の製造と修理において重要な役割を果たしてきました。非金属 3D プリント技術は、大型鋳造品の生産プロセスを改善し、コスト削減と効率向上、生産サイクルの短縮、鋳造品質の向上を実現しました。現在の 3D プリント技術の発展状況から判断すると、大型鋳造・鍛造品の分野における 3D プリント技術の応用は、小型から大型へ、非重要部品から重要部品へ、そして一般部品から重要部品へと発展するプロセスを経る必要があります。

現在、わが国の大型鋳造・鍛造産業は、深刻な過剰生産能力、低級品間の熾烈な競争、高級品が人によってコントロールされるなど、不利な状況にあります。大型鋳鍛造品の生産工程を改善する従来の方法では、生産コストを効果的に削減し、部品の品質を向上させ、生産サイクルを短縮し、市場スペースを拡大することができなくなりました。したがって、我が国の大規模な鋳造・鍛造産業の競争力を大幅に向上させるためには、新たな技術と方法を導入する必要があります。 3Dプリント技術は、積層造形技術とも呼ばれ、デジタルモデルを基礎として材料を一層ずつ積み重ねて物理的な物体を作成する新興製造技術であり、新たな科学技術革命と産業変革の大きなチャンスです。

編集者: Antarctic Bear 著者: Men Zhengxing Li Qi Zheng Xu Xu Wenjin Du Qingquan (Erzhong Group (Deyang) Heavy Equipment Co., Ltd.) メン・ジェンシン、リー・チー、ジェン・シュー、シュー・ウェンジン、ドゥ・チンクアン (Erzhong Group (Deyang) Heavy Equipment Co., Ltd.)
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