海外におけるアーク積層造形技術の研究状況と展望

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-4-30 13:11 に最後に編集されました。

3Dプリンティング技術は、「今日のデザイン、明日の製品」というコンセプトのもと、大学、研究機関、航空宇宙などのさまざまな業界から広く注目を集めています。約1世紀にわたる開発を経て、接合原理に基づいて開発された積層成形技術から、紫外線を熱源とする光硬化成形技術、さらにアーク、電子線、レーザーなどの高エネルギービームを熱源とする現在の急速溶融成形技術へと徐々に進化し、有機材料、無機非金属材料、金属材料の急速製造を実現しています。金属材料の場合、高エネルギービーム熱源に応じて、アーク積層造形、レーザー積層造形、電子ビーム積層造形などの技術に分けられます。原材料は一般的に金属粉末と溶接ワイヤの形をしています。
熱源の違いにより、成形精度、堆積効率、複雑な部品に対する感度の点で積層造形技術に違いが生じます。ワイヤアーク積層造形（WAAM）は、MIG、TIG（タングステン不活性ガス）、PA（プラズマ溶接電力）などの溶接機で発生したアークを熱源として層ごとに積層する原理を利用し、プログラム制御の下で3次元デジタルモデルに従ってワイヤ、表面、ボディからワイヤを追加することで金属部品を徐々に形成する高度なデジタル製造技術です。堆積効率が高く、ワイヤ利用率が高く、全体的な製造サイクルが短く、コストが低い、部品サイズの制限が少ない、部品の修理が容易などの利点があるだけでなく、その場での複合製造や大型部品の成形も可能です。従来の鋳造、鍛造技術などの付加製造技術と比較して、より先進的です。鋳造や鍛造のプロセスと比較して、金型を必要とせず、全体的な製造サイクルが短く、柔軟性が高く、デジタル、インテリジェント、並列製造を実現でき、設計に迅速に対応できます。特に、小ロットおよび多品種の製品の製造に適しています。

WAAM 技術は、鋳造技術製品よりも優れた微細構造と機械的特性を備えており、鍛造技術製品と比較して原材料、特に貴金属材料を節約します。レーザーや電子ビームを熱源とする積層造形技術に比べ、堆積速度が高く、製造コストが低いという利点があります。レーザーを熱源とする積層造形技術に比べ、金属材料の影響を受けにくく、アルミニウム合金、銅合金などレーザー反射率の高い材料を造形することができます。 SLM 技術や電子ビーム積層造形技術と比較して、WAAM 技術には、製造される部品のサイズが装置の成形シリンダーや真空チャンバーのサイズによって制限されないという利点もあります。
アーク積層造形技術の開発の歴史

1925年には、アメリカのベイカーらが初めて電気アークを熱源として使い、溶融金属の液滴を層状に堆積させることで「3Dプリント」された金属装飾品を製造した[9]。 1970年代にドイツの学者が金属溶接ワイヤを原料としてサブマージアーク溶接で大型金属部品を製造するという概念を初めて提案した[9]。氏家らは熱源としてSAW、TIGなどを用い、異なる種類の溶接ワイヤを用いて傾斜材料を外壁とする圧力容器を形成した。 1983年、ドイツのクスマウルらはサブマージアーク溶接法を用いて層ごとに堆積させ、総重量79トン、堆積速度80kg/時の大型円筒形厚肉ステンレス鋼金属容器を製造した。形成された材料は高い引張強度、降伏強度、靭性を有していた。 1990 年代に、英国は WAAM 技術の開発を加速させる 2 つの主要な研究プロジェクトを開始しました。 1つは、Ribeiroらが「金属材料に基づくラピッドプロトタイピング技術」のプロセスを詳細に説明したことであり、もう1つは、SpencerらがGMAW溶接ガンを6軸ロボットに固定し、部品のラピッドマニュファクチャリングを実行したことです。さらに、Zhang らも同様の研究を発表し、垂直壁と回転体部品を製造するプロセスを提供しました。

1993年、プリンツ、ヴァイスらはCNCフライス盤に溶接装置を設置し、これを積層製造装置（SMD）と名付け、関連特許を申請した。 1994年から1999年にかけて、英国クランフィールド大学溶接工学研究センターは、英国の航空機エンジン会社ロールスロイス社向けに、従来の鋳造技術に代わる成型積層造形技術（SMD）を開発しました。同時に、この技術で成型されたチタン合金、耐熱合金、アルミニウム合金などの材料の性能を研究・評価しました。 2007年、クレイフィールド大学はWAAM技術の研究を開始し、この技術を航空機胴体構造部品の迅速製造に応用しました。

海外におけるアーク積層造形技術の研究状況<br /> 近年、多くの研究機関、大学、企業がWAAM技術を非常に重視し、幾何学的形状の成形能力、材料の微細構造特性、機械的特性に関する多くの基礎研究を行ってきました。フランスの Ribeiro らは、ロボットによる GMAW ラピッドプロトタイピング製造システムを設計し、その幾何学的成形能力を研究し、図 1 に示すように典型的なテストピースを形成しました。米国のOuyangらは、可変極性TIG溶接システムを使用して5356アルミニウム合金部品を迅速に形成し、溶接パラメータと堆積層の幾何学的寸法の関係を分析し、予熱温度やアーク長制御などの基本プロセスを研究しました。さらに、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所、米国のサザンメソジスト大学、英国のクレイフィールド大学などの研究機関も、アーク積層造形技術を用いた幾何学的形状の形成能力と組織特性に関する関連研究を行っています。

幾何学的形状形成能力の研究
WAAM 技術の幾何学的形状を形成する能力は、レーザーよりも低くなります。これは、アーク形成位置が溶接ガン、溶接ワイヤ、ロボットの位置によって決定されるのに対し、レーザーの形成位置はガルバノメータによって制御されるためです。アークは、レーザーよりもアクセス性および精度が低くなります。英国の Kazanas らは、WAAM 技術による部品形状の製造能力に関する基礎研究を実施しました。彼らは、Fronius社のTranspulse Synerigic 5000 CMT溶接機とABB社のMTB250 6軸ロボットを組み合わせてWAAMシステムプラットフォームを形成し、直径1.2mmのER706S-6炭素鋼溶接ワイヤとER4043アルミニウム合金溶接ワイヤを原料として使用して、傾斜した薄肉部品と幾何学的に閉じた薄肉部品を形成しました。

溶接ガンと傾斜薄肉部を同じ角度に保ちながら、60°、45°、30°、15°の角度でステンレス鋼の傾斜薄肉部を成形したところ、基材に最も近い2層目と3層目に膨らみが発生し、傾斜壁の角度が小さいほど膨らみが激しくなることが分かりました。彼らは、理論的には、膨らみをなくす方法として、1層目に3つの溶接、2層目に2つの溶接、3層目に1つの溶接を積み重ねてピラミッド型にする方法を提案しましたが、この方法の実装には高度なスキルが必要であると考えました。アーク積層造形技術の幾何学的形状成形能力を向上させるために、常に垂直方向に従う従来の溶接ガンの積み重ね方法を変更し、フルポジション溶接法を使用して製品を成形することを提案し、水平から垂直までのすべての角度での薄肉部品と閉じた薄肉部品の成形を実現しました。図２は、傾斜角が０°で閉じた構造の薄肉部品を示す。これは、WAAM テクノロジーが形状、特に角度に左右されず、製造プロセス中に補助サポートを追加する必要がないことを示しています。補助サポートの追加を必要とする SLM などのラピッドプロトタイピング技術と比較すると、これには一定の技術的利点があります。
組織特性と機械的性質に関する研究<br /> 材料の微細構造は、材料が受ける熱処理と密接に関係しています。 WAAM 技術を使用して製造された材料は、複数の複雑な熱サイクルを受け、鋳造材料や鍛造材料とは非常に異なる熱履歴を持ちます。その結果、鋳造材料や鍛造材料とは大きく異なる材料の微細構造が生まれます。 WAAM技術で製造されるチタン合金の微細組織は、一般的にエピタキシャル成長した長い柱状のβ結晶であり、鋳造や鍛造材料では形成が困難です。ポールらは、WAAM技術で製造されたTC4材料の微細構造を制御しました。彼らは、外部電磁場またはローラー圧延と加圧を追加することで、等軸結晶構造を得ることを計画しました。結果は、外部電磁場が粒子の形状にほとんど影響を与えず、外部圧力を加える方法によって均一な粒子を持つ等軸結晶が得られることを示しています。

材料の微細構造は機械的特性に大きな影響を与え、材料の構造が異なれば機械的特性も異なります。王らは、アーク積層造形法で製造されたチタン合金材料の機械的特性に関する研究を実施しました。その結果、鍛造材料と比較して、WAAM で堆積された TC4 の機械的特性は、疲労寿命が長く、伸びは同等で、降伏強度と破壊強度はわずかに低く、機械的特性に明らかな方向性がないことがわかりました。さらに、Ding[11]とWang[6]らは有限要素解析を用いてアーク積層造形プロセス中に発生する応力と変形をシミュレートした。 WAAM 技術についてはいくつかの基礎研究が行われていますが、微細構造の制御、残留応力、変形制御などの分野ではまだ詳細な研究が必要です。

航空宇宙分野におけるアーク積層造形技術の応用<br /> 近年、海外ではWAAM技術が比較的成熟しており、多くの大手航空宇宙企業や大学が積極的にWAAM技術の開発を行い、大型金属構造物を製造しています。クレイフィールド大学は、MIGアーク積層造形技術を使用して、大型チタン合金フレーム部品を製造しています（図3を参照）。堆積速度は1時間あたり数千グラムに達し、溶接ワイヤの利用率は90％を超えています。製品の成形時間はわずか1時間で、製品の欠陥はほとんどありません。

エアバス、ボンバルディア、BAEシステム、英国ロッキード・マーティン、欧州ミサイルメーカーMBDA、フランスの航空宇宙企業アストリウムなどの欧州企業は、いずれもWAAM技術を使用してチタン合金や高強度鋼でできた大型構造部品を直接製造し、大型構造部品の開発サイクルを大幅に短縮しました。図4はBAE社が製造した高強度鋼製シェルケーシングを示しています。

ロッキード・マーティンはER4043溶接ワイヤを原料とし、アーク積層造形法を用いて高さ約380mmの大型円錐円筒を開発しました。ボンバルディアはアーク積層造形技術を用いて、長さ約2.5m、幅約1.2mの大型平板に航空機用大型リブを直接製造しました。この技術の現在の開発状況は、WAAM 技術の自動化レベルが低く、関連するプログラムデータベースがまだ確立されていないため、この技術では比較的単純な幾何学的形状と構造を持つ部品しか製造できません。しかし、この技術の製造精度は他の積層造形技術に比べてやや低く、また一般的にはその後の機械加工が必要となるため、航空宇宙分野ではまだ大規模に適用されていません。
航空宇宙分野における WAAM 技術の応用は、主にその場製造と複合材製造に重点が置かれます。インサイチュ製造には、インサイチュ成長とインサイチュ修復という 2 つの側面が含まれます。インサイチュー成長とは、アーク積層造形技術を使用して必要な部品を製造することを指します。原位置修理には、新しく加工した部品の欠陥を修理するものと、摩耗して除去が困難な古い部品を修理するものの 2 種類があります。これにより、製品の歩留まりを向上させたり、既存の部品の耐用年数を延ばしたりすることができます。複合材製造とは、既存の部品に基づいて新しい部品を直接形成するプロセスであり、新しい部品の材料は既存の部品の材料と異なる場合があります。溶接ワイヤの種類を変えて傾斜材料を形成することで、異種金属部品の複合製造が可能になります。現在、WAAM 機器の自動化レベルは比較的低く、関連データベースも不足しているため、大規模なエンジニアリングアプリケーションを実現することは困難です。ただし、人々の関心が高まれば、WAAM テクノロジは航空宇宙分野の部品の迅速な開発と小ロット生産において非常に幅広い応用の見通しを持つことになります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Tian Cailan、Chen Jilun、Dong Peng、He Jingwen、Wang Yaojiang (Capital Aerospace Machinery Company)
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