南極熊の徹底分析 - 海外の付加製造技術標準の分析

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デジタル設計、製造技術、レーザーや電子ビームなどの高エネルギービームプロセスを組み合わせた積層造形技術は、10年以上の開発期間を経て、研究室から実用化へと移行しつつあります。その発展の見通しは米国政府や軍から高く評価されており、米国製造業の活性化という国家戦略を支える重要な対策として、政府や軍から強力に支持されています。近年、積層造形技術が成熟するにつれ、関連する標準化作業がますます活発になってきています。
1 積層造形技術標準の開発

2002 年、米国自動車技術者協会 (SAE) は、最初の積層造形技術規格である航空宇宙材料仕様 AMS 4999「焼鈍 Ti-6Al-4V チタン合金レーザー堆積製品」と、それに付随する航空宇宙材料仕様 AMS 4998「Ti-6Al-4V チタン合金粉末」を発表しました。軍民融合を推進するため、1990年代から、米国の軍事規格システムにおける材料関連の軍事仕様が航空宇宙材料仕様AMSへと移行し始めました。現在、航空宇宙材料規格は、米国軍の航空宇宙材料規格の主体となっている。積層造形技術の航空宇宙材料仕様の公布は、この技術が米国の航空宇宙分野で実用化に向かっていることを示す重要な兆候です。

2011 年に、AMS 4999 は AMS 4999A に置き換えられました。新しい規格の名前は「焼鈍 Ti-6Al-4V チタン合金直接堆積製品」に変更され、プロセスの種類が拡張され、新しい技術要件が補足され、品質保証要件などの技術内容が改善されました。 2009 年、米国材料試験協会 (ASTM) は、試験方法、設計、材料とプロセス、人員、用語に関する小委員会を持つ特別な積層造形技術委員会 ASTM F-42 を設立しました。現在、委員会には10か国から100を超えるメンバーユニットが参加しています。

ASTM F-42 は、用語やファイル形式などの基本標準と製品標準を含む 4 つの標準を公布しました。開発中の標準は、基本標準、製品標準、設計ガイドラインを網羅しており、比較的完全な基本標準システムとオープンな製品標準システムを形成しています。詳細については、表 1 を参照してください。標準システムの構成の観点から、技術委員会は用語、ファイル形式、設計ガイドラインなどの基本的な標準の策定に重点を置いています。これは、積層造形技術分野における新しい概念や方法の多さを反映しているだけでなく、技術が広く使用されるという客観的なニーズも反映しています。進行中の作業から判断すると、近い将来に多くの新しい製品規格が公布される予定であり、そのほとんどはレーザーおよび電子ビーム粉末クラッディングプロセスで製造されるチタン合金および高温合金製品であり、わが国の関連技術の発展において一定の参考的役割を果たすことになるだろう。

2011 年には、国際標準化機構 (ISO) も付加製造技術委員会 ISO TC 261 を設立しました。この委員会には、用語、方法、プロセスと材料、試験方法、データ処理に関する小委員会/作業部会があります。 ISO TC 261は現在14の加盟国と6つのオブザーバー国を有し、ASTM-F42と協力して積層造形技術の標準の開発を行っています。現在進行中の積層造形標準プロジェクトを表1に示します。現在、ISO TC 261 のタスクの 1 つは、ISO 17296「付加製造 - ラピッドテクノロジー (ラピッドプロトタイピング)」の開発です。

この規格は、用語、方法、プロセスと材料、試験方法、データ処理の4つの部分で構成されており、新規プロジェクト提案（NP）や委員会草案（CD）など、規格策定の初期段階にあります。ラピッドプロトタイピングは、現在、積層造形技術の応用の主な方向ですが、積層造形技術の応用範囲はラピッドプロトタイピングに限定されないことに留意する必要があります。 ISO TC 261 が行っている作業のもう 1 つの部分は、ASTM が発行した付加製造技術用語やファイル形式などの 3 つの基本標準を ISO 標準に変換することです。これら 3 つの規格は、加盟国が規格草案 (DIS) に疑問を呈し、最終草案 (FDIS) に投票する段階に入っています。しかし、ISO TC 261 では、ASTM がすでに発行している積層造形製品規格 ASTM F2924-12 は変換されませんでした。

2 AMS 4999A「焼鈍Ti-6Al-4Vチタン合金直接堆積製品」の分析

2.1 適用範囲とプロセス
Ti-6Al-4V は、航空宇宙分野で最も広く使用されている中強度チタン合金です。私の国での対応する材料グレードは TC4 です。直接堆積は、材料供給（粉末、ワイヤ）と溶融が同時に実行される積層製造プロセスです。規格で規定されている製品の用途は、機械加工用ブランクまたは鍛造用ブランクです。直接積層造形法で製造されたチタン合金製品は、機械加工後に用いられるのが一般的ですが、米国では鍛造ブランクを用いてさらに金型鍛造を行うことで構造や性能を向上させるという関連研究報告もあります。この規格では、充填材料は粉末と線材、マトリックス材料はTi-6Al-4Vチタン合金厚板、棒、鍛造品、プロファイル、熱間静水圧プレス精密鋳造品、冷間炉一回溶解板などと規定されています。厚板が1種類しかないAMS4999に比べ、より幅広い母材に適用可能です。規格で規定されている溶融熱源はレーザーと電子ビームであり、新たに電子ビームプロセスが追加され、電子ビーム積層造形プロセスも成熟したプロセスになったことを示しています。この規格では、製品の焼鈍および熱間等方圧プレス処理システム、および焼鈍または熱間等方圧プレス後の時効処理システムを規定しています。規格では、Ti-6Al-4Vチタン合金直接堆積製品の焼鈍加熱温度は900℃～925℃と規定されていますが、変形製品は一般的に700℃～790℃の範囲で加熱する通常の焼鈍システムを採用しています。この規格では、残留応力の制御と変形の低減の進歩を反映して、応力緩和焼鈍システムと堆積プロセス中の部品の要件が追加されています。
表2
2.2 組織とパフォーマンスの要件

この規格では、Ti-6Al-4Vチタン合金直接堆積製品の微細構造は、β相マトリックス上に分布した針状のα相構造であると規定されています。同時に、性能が要求を満たす限り、堆積領域に柱状結晶構造が存在することが許容されることが明確に規定されています。新しい規格 AMS 4999A と元の規格 AMS 4999 の引張特性要件を表 2 に示します。比較を容易にするために、表 2 には、AMS 4928Q 規格「Ti-6Al-4V チタン合金の焼鈍棒、ワイヤ、鍛造品、リング、引抜形状品」で規定されている変形製品の引張特性要件も記載されています。表中の材料特性のサンプリング方向は図 1 に指定されています。表 2 からわかるように、規格のパフォーマンス要件は大きく異なります。まず、元の規格では、X 方向のパフォーマンスをパフォーマンス要件が最も高い 1 つのグループにグループ化し、Y 方向と Z 方向のパフォーマンスをパフォーマンス要件が低い 1 つのグループにグループ化します。新しい標準では、X 軸と Y 軸のパフォーマンスを 1 つのグループにまとめ、Z 軸のパフォーマンスを別のグループにまとめます。性能指標要件の観点から見ると、X 方向の引張強度はわずかに変化しますが、Z 方向の引張強度と降伏強度はそれぞれ 20MPa 増加します。

引張性能指標要件に関する現在の AMS 材料規格によれば、材料の引張強度、降伏強度、伸び、およびその他の性能指標では、統計計算と分析を使用して A ベース値を取得する必要があります。データが不足しているため、元の規格 AMS 4999 では、Y 軸の性能に対して保証値 (S 値) が採用されました。データの蓄積により、新しい規格では Y 方向の性能に A ベース値が採用されています。直接堆積された製品には塑性加工による異方性がないため、新しい規格の引張性能要件に関する規定では、X 方向と Y 方向によって形成される堆積面上で引張特性に明確な方向性がないことが明らかになっています。

規格で規定されているように、Z方向引張特性試験の試験片には、母材と堆積層との界面が含まれる必要があります。そのため、Z方向引張特性とX方向およびY方向引張特性の差は、母材と堆積層との界面の影響をより反映している可能性があります。新しい規格と元の規格の性能指標の差は、技術の進歩や電子ビーム処理方法の導入などの要因が機械的性能指標に及ぼす複合的な影響を反映している可能性もあります。表2に記載されている鍛造品などの変形製品の引張性能指数要件と比較すると、直接堆積製品の塑性指数伸びの要件は低くなります。規格に新しい破壊靭性要件が追加されました：KIC 66MPa-mm1/2 以上、KIVM 82.5MPa-mm1/2 以上。破壊靭性KIC指数の要件から、Ti-6Al-4Vチタン合金直接堆積製品の破壊靭性は、従来のTi-6Al-4Vチタン合金金型鍛造品の破壊靭性と同等レベルです。

2.3 内部品質要件 内部品質要件に関しては、当初の規格では、使用上有害な異物、不完全性、穴などの欠陥は許容されないという定性的な規定が 1 つだけありました。新しい規格では、超音波検査と放射線検査の内容が追加され、内部品質の要件が改善されています。この規格では、製品の超音波検査は、AMS2631「チタンおよびチタン合金の棒とビレットの超音波検査」に従ってZ方向に沿って実施する必要があると規定されています。厚さ6mm〜102mmの製品はA1レベルの要件（単一欠陥に相当する平底穴の直径が1.2mmを超えてはならない）を満たし、厚さ102mm〜152mmの製品はAレベルの要件（単一欠陥に相当する平底穴の直径が2mmを超えてはならない）を満たす必要があります。この規格では、ASTM E 1742「放射線検査」規格に従って、製品の放射線検査を粗加工または精加工状態の堆積部品に対して実施しなければならないと規定されています。この規格では、製品に亀裂や不完全な溶融があってはならないこと、また、穴や介在物の欠陥に対する要件が規定されており、単一の穴と介在物の最大サイズは 1.5 mm を超えず、厚さの 0.3 倍を超えてはなりません。この規格では、熱間等方圧プレスの前に放射線検査を実施し、連続する 5 つの製造バッチのみを検査することが義務付けられていることは注目に値します。したがって、放射線検査の主な目的は、直接堆積プロセスを検証することであると考えられます。

変形製品は超音波検査のみ、鋳造製品は放射線検査のみと異なり、直接堆積製品は両方の検査を受ける必要があると規定されています。これは直接堆積製品の組織と欠陥の特徴を反映しており、航空宇宙製品の安全な使用を保証する上で積極的な意義を持っています。

2.4 品質管理要件 この規格には、プロセスおよびサプライヤーの承認、堆積パラメータの承認、堆積/幾何学的パラメータの承認、製造概要の承認、硬化生産プロセスなどのプロセス制御要件が新たに追加されています。ハードウェア試作開始前に、プロセスとサプライヤーの承認を実施します。製品購入者は、熱源、熱源パラメータ範囲、充填材料、充填方法、雰囲気、堆積経路の実現、クラッディングの粉末供給方法などのプロセス、および充填材料のサプライヤーを承認する必要があります。この規格では、製粉工程の変更は再工程の承認を必要とするものと規定されています。この規格では、プロセスとサプライヤーの承認のために製品が満たすべきパフォーマンスと配布の要件、および必要なテストバッチと数量も規定しています。

製品の試作を開始する前に、堆積パラメータ承認と堆積/形状パラメータ承認が行われます。堆積パラメータ承認は、異なる堆積プロセスパス用であり、堆積/形状パラメータ承認は、製品の特定の堆積プロセス用です。承認された堆積経路は、単一の堆積の幅、複数の堆積の幅、および 2 つの隣接する堆積間の重複領域によって定義されます。各堆積パスには、粉末密度、供給速度、溶融プールの移動速度、隣接する 2 つの層の堆積間の最小時間間隔、粉末の種類、サプライヤーなどのパラメータが含まれます。規格では、プロセスパラメータの上限値と下限値、および中間値をカバーするのに十分な数の部品が必要であると規定されています。堆積パラメータを承認するには、引張特性に加えてひずみ疲労特性も確認する必要があります。

堆積/幾何学的パラメータには、粉末密度、供給速度、溶融池の移動速度、隣接する 2 つの堆積層間の最小時間間隔、基板材料の厚さ、堆積の長さ、高さ、幅、基板材料に対する堆積角度、堆積パス、異なる堆積パス間の交差の種類、方向、角度、堆積間の交差の長さ、高さ、幅などの堆積パラメータと幾何学的特性が含まれます。この規格では、通常の堆積および堆積間の交差に対する堆積/幾何学的パラメータを承認するために必要な引張試験およびひずみ疲労試験のバッチ要件と数量要件を規定しています。

この規格では、すべての直接堆積製品は、サプライヤーが準備し、購入者が承認した硬化プロセスと製造概要に従って製造する必要があることが規定されています。製造概要は、認証製品の実際の生産と一致し、次の硬化プロセス要素を含める必要があります：マトリックス材料の仕様、寸法および準備要件、堆積ツール/ツール、フィラー材料のソースおよび制御要件、供給方法および制御手順、予熱温度および時間、製品 CAD モデルおよびマシンコードを含む CAM ファイル、部品堆積プロセスパラメータおよび制御範囲、超音波検査方法、性能テストサンプリングおよびテスト周波数要件、熱処理プロセスパラメータおよびツール/ツール、熱間静水圧プレスプロセスパラメータおよびツール/ツール、寸法検査要件など。硬化プロセスから意図的に逸脱する場合、サプライヤーは生産を実施する前に購入者に承認の申請書を提出しなければなりません。

購入者は、プロセスおよび生産計画の変更が構造の完全性および材料特性に悪影響を及ぼさないことを保証するために、テスト要件を定義する必要があります。制御可能な材料と部品加工は、航空機部品の品質と信頼性を確保するための重要な手段です。積層造形プロセスは、従来の鋳造や変形プロセスとは大きく異なります。積層プロセスをどのように特性評価し、認証するかは、この技術が航空製品に広く使用できるかどうかにとって非常に重要です。 AMS 4999A 規格の堆積パラメータと堆積/形状パラメータの定義、および関連するパラメータ制御要件は、我が国の航空機製品における積層造形技術の推進と応用にとって大きな参考価値があります。

3 Ti-6Al-4Vの粉末クラッディング積層造形法に関するASTM F2924-12標準仕様の分析

3.1 適用範囲、分類およびプロセス この規格は、Ti-6Al-4Vチタン合金粉末クラッディング加工製品に適用されます。粉末クラッディング法は、供給とクラッディングを同時に行う直接堆積法とは異なり、クラッディングを開始する前に厚さ20μm～100μmの金属粉末層を敷き詰め、その後、レーザービームや電子ビームなどの点熱源を使用して、敷いた粉末を順次選択的に溶融・固化し、この工程を繰り返すことで部品の堆積工程を完了します。既存の粉末クラッディングプロセスには、選択的レーザー溶融法 SLM®、直接金属レーザー焼結法 DMLS™、電子ビーム溶融法 EBM® などがあります。

直接堆積法で製造された製品と比較して、粉末クラッディング法はより高い表面品質を実現できるため、精密積層製造技術とも呼ばれています。しかし、このプロセスの効率は比較的低いです。この規格では、粉末クラッディング製品は一般に、鍛造および圧延製品と同じ性能要件を持つ部品に使用されることが規定されています。要求される表面粗さや寸法精度を得るために、一般的には機械加工や研削などの後工程を経る必要がありますが、後工程を経ずにそのまま使用することもできます。規格で規定されている溶融熱源は、レーザーと電子ビームの 2 種類に分けられます。粉末クラッディング工程における充填材は粉末です。クラッディング工程では、敷き詰められた粉末の一部のみが溶融して固化し、大部分の粉末は溶融工程に関与せず、これを使用済み粉末と呼びます。この規格では、使用済み粉末を戻り粉末として使用できることを規定するとともに、戻り粉末の選別・検査方法、戻り粉末と新粉末の比率、戻り粉末の使用回数などの技術的要件を規定しています。この規格は、製品の熱処理に関する一般的な要件のみを規定しており、具体的なプロセスパラメータは指定していませんが、熱間静水圧プレスプロセスの適用範囲と具体的なプロセスシステムを明確に規定しています。

3.2 製品分類と組織のパフォーマンス要件 この規格では、粉末クラッディング積層造形法による Ti-6Al-4V チタン合金製品のカテゴリーを規定しています。

クラス 1 コンポーネントは、熱間等方圧プレスを必要としない安全性が重要な領域で使用されます。
カテゴリー 2 のコンポーネントは、熱間等方圧プレスを必要とする安全性が重要な領域に使用されます。
カテゴリー 3 コンポーネントは、パフォーマンスが重要なコンポーネントに使用されます。
タイプ4のパーツはコンセプトモデルやプロトタイプに使用されます。
この規格では、製品の微細構造はα相とβ相からなる二相構造でなければならないと規定されています。 α 相は、針状、層状、等軸状、または籠目状になります。一次β粒界上に連続したα相が存在できる。柱状の粒子構造は許容されます。

規格に規定されている引張特性の要件を表3に示す。表 3 からわかるように、クラス 1、クラス 2、クラス 3 のコンポーネントでは、X、Y、Z 方向の引張性能要件はまったく同じです。表 2 に記載されている AMS 4999A 標準の性能要件では、X 方向と Y 方向の性能要件は Z 方向の性能要件とは大きく異なります。 2 つの規格の技術要件が異なる理由は、ASTM F2924-12 規格で規定されている Z 方向引張特性試験に使用される試験片がすべて粉末クラッディングプロセスによって得られた堆積材料から採取されているのに対し、AMS 4999A 規格では、Z 方向特性に基板材料と堆積材料との界面が含まれる必要があることが規定されていることが考えられます。表2と表3のデータを比較すると、ASTM F2924-12に規定されている積層造形製品の性能要件は、Ti-6Al-4Vチタン合金金型鍛造品の性能要件と基本的に同じであることがわかります。引張性能指標は、試験データの統計計算ではなく、金型鍛造規格を参照して決定することができます。この規格では破壊靭性指数の要件は規定されておらず、検査方法のみが規定されています。具体的な指数要件は、供給側と需要側の間で交渉されます。

3.3 内部品質要件 内部品質要求事項については、X線検査の検査方法基準のみが規定されており、合格基準、検査場所、サンプリング方法は、供給側と需要側との交渉によって決定する必要があります。この規格では超音波検査の要件は規定されていません。

3.4 品質管理要件 この規格では、クラス 1、クラス 2、クラス 3 のコンポーネントには製造概要が必要であると規定されています。製造概要には、設備、製造管理システム、ソフトウェアバージョンおよび製造管理システムバージョンを含む設備の認証、認証に必要なサンプル数、サンプリング方法など、充填材料、堆積チャンバー環境、設備の状態、認証された設備の校正情報、承認された堆積プロセス、デジタルファイルのトレーサビリティを確保するための対策、堆積プラットフォームの選択、設備の洗浄、粉末処理およびその他の準備プロセス、設備オペレーターの要件、設備操作のログファイル、コンポーネントの品質に影響し、効果的なプロセス制御を確保するプロセスパラメーターの範囲、各堆積サイクルのコンポーネント数、およびプラットフォーム上のコンポーネントの方向、位置、サポート構造、プロセスステップ、後処理プロセスのシーケンス、実行仕様、およびその他の後処理プロセスフロー、アニーリング、熱間静水圧プレス、熱処理、エージングなどの熱処理要件、供給側と需要側の両方が合意した検査要件などが含まれます。

4 AMS 4999A と ASTM F2924 の比較 – 12 どちらの AM 製品規格も、Ti-6Al-4V チタン合金用です。異なる堆積プロセス方法によって生じる技術的要件の違いについては、上記で説明しました。これらの違いに加えて、2 つの標準は異なる標準化組織によって開発されたため、標準の構成にも明らかな違いがあります。

4.1 規格の適用範囲
AMS 航空宇宙材料規格は、航空宇宙分野で使用される材料の製品規格であり、その技術要件はあらゆる種類の材料規格の中でも比較的包括的かつ厳格です。 AMS 4999A 規格はこの機能を完全に反映しており、製品技術と品質管理に対して厳格で具体的かつ高度な運用要件を定めています。この規格では、組成、構造、従来の引張特性に関する要件に加えて、破壊靭性や疲労性能に関する明確な要件も規定されており、超音波検査や放射線検査の方法や認定基準などの内部品質要件も規定されています。品質管理に関しては、この規格では複数のレベルで詳細な認証要件を規定しています。この規格は、航空宇宙材料の応用要件を完全に反映しています。 ASTM 規格は、アメリカの国家規格の主要な構成要素であり、幅広い応用分野をカバーしています。さまざまな使用要件に適応するために、ASTM F2924-12 規格では堆積製品を分類し、分類に応じて製品の性能、内部品質、プロセス、品質管理に関するさまざまな要件を規定しています。同時に、規格の技術要件のほとんどは、製品の供給側と需要側の間の交渉によって決定されており、規制は十分に具体的ではなく、あまり運用されていません。

4.2 標準の完全性 ASTM には積層造形技術委員会があり、積層造形技術に関する用語やファイル形式などの基本規格を策定しているため、委員会が公布した製品規格を効果的にサポートしています。そのため、ASTM F2924-12 規格を使用する際には、これらの関連規格も参照する必要があります。積層造形技術に関する基本技術を定義する特別な基本規格があるからこそ、ASTM積層造形技術標準システムには、バッチ処理の定義と方法、複雑な形状の製品の座標系、堆積プロセスを制御するマシンコードなどについて、より体系的で完全な規定があります。

概要 私の国の付加製造技術は急速に発展しています。直接金属堆積技術に関しては、航空機において大型かつ重要で重要な荷重支持部品のチタン合金レーザー急速成形が採用されており、プロセスと応用技術全体が国際的にトップレベルにあります。粉末クラッディング技術では、レーザー精密積層造形技術を用いて、航空機用の複雑で大規模な空間湾曲多孔質チタン合金部品を開発しました。しかし、わが国における積層造形技術の基準の整備は諸外国に比べて遅れており、国内の技術開発レベルを十分に反映できていない。これまで航空機に搭載され、使用されてきた積層造形技術製品は、いずれも各社の技術条件や仕様を採用しています。堆積プロセスの特性評価、制御、認証に関する規制がないため、技術の大規模な推進と使用が制限されており、既存の技術的優位性が製品の利点と市場の利点に迅速に変換されていません。そのため、積層造形技術の標準化作業を早急に行う必要があります。

我が国の積層造形技術の国家標準の策定を加速するためには、できるだけ早く積層造形に関する国家技術委員会を設立するか、国家航空機標準化技術委員会の下に該当する技術委員会を設立する必要があります。プロジェクトチームは、プロセスの測定方法、監視方法、監視頻度、制御が失われた場合の対処方法を計画し、詳細なプロセス制御計画を策定しました。また、管理フェーズではFMEA分析を実施し、リスクの高い事象に対する改善計画を策定し、プロセスにおける欠陥や故障の可能性に対して事前に十分な準備と予防を行い、プロセス管理能力を確保しました。関連するワーキンググループは、積層造形技術標準システムの企画を組織および実行し、国際標準化機構（ISO）の積層造形技術委員会 ISO TC 261 の活動に参加し、関連する基本標準の策定または変換を実行する責任を負います。積層造形技術製品の標準化に関しては、TA15、TC4、TC18チタン合金レーザーラピッドプロトタイピングおよびレーザー精密積層造形プロセスにおけるAVICの関連研究機関および工場の技術および応用上の優位性を活用し、内部品質およびプロセス管理に関する関連海外製品規格の要件を活用し、関連グループ規格を開発し、積層造形製品の品質およびプロセス管理を強化し、標準化活動を通じて積層造形技術の普及と応用を促進し、技術上の優位性を製品上の優位性および市場上の優位性に転換することを加速することができます。

編集者: Antarctic Bear 著者: Jing Lulu (AVIC Shenyang Aircraft Design Institute)
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