南極熊の詳細な分析、プラズマ製造技術、積層造形装置

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プラズマとは、原子や原子団から電子の一部が奪われたときに生成される、正イオンと負イオンで構成されるイオン化された気体物質を指します。プラズマは宇宙に広く存在し、固体、液体、気体に加えて、物質の第 4 の状態と見なされることがよくあります。プラズマは通常、そのマクロ的な温度に応じて、高温プラズマと低温プラズマに分けられます。熱プラズマ[1]とは、主にマクロ的な温度が数万度以上に達し、重粒子温度が電子温度に近い平衡プラズマのことを指し、溶接、切断、積層造形などの製造分野でよく利用されている。アーク熱プラズマは、熱プラズマの最も一般的に使用される形式です。プラズマを生成するための装置（プラズマ発生器と呼ばれる）の陽極と陰極に直流電源を印加するプロセスを指します。高エネルギーの作用により、プラズマ発生器に入る作動ガスは、電子、粒子、イオンなどで構成される高温混合ガスにイオン化され、最高温度は30,000Kを超えます。
熱プラズマは、高エネルギー密度（レーザーに近い）、高温（基本的にすべての既知の材料を溶かすことができる）、高熱変換効率（最大70％以上）、熱源設備およびメンテナンスコストの低さなどの優れた利点があるため、100年近くの開発を通じて切断や溶接などの従来の製造プロセスで広く使用され、研究が大きく進歩しました。近年、一部の科学研究者はプラズマ技術を利用したプラズマ積層製造装置を開発しました。

次に、Antarctic Bear は、まずプラズマ製造技術の発展の歴史と現状を紹介し、次に積層製造装置の発展の歴史と現状を紹介し、次に積層製造技術に存在する問題を紹介し、対応する解決策を提案し、最後に、著者自身の見解を述べ、積層製造技術の発展動向を指摘しました。

プラズマ製造技術
1830年代にはイギリスのM.ファラデー、その後JJトムソン、JSEタウンゼントらが相次いでガス放電現象を研究し、プラズマ実験研究の始まりとなった。 1879 年、イギリスの W. クルックスは、ガス放電管内のイオン化されたガスを説明するために「物質の第 4 の状態」という用語を使用しました。 1928年、アメリカのI.ラングミュアが初めてプラズマという用語を導入し、プラズマ物理学が正式に誕生しました。それ以来、プラズマ技術研究の新しい時代が始まり、プラズマ技術は急速に発展しました。

プラズマ技術は継続的に発展しており、加工・製造、ナノ材料の調製、廃棄物処理など、さまざまな分野で広く利用されています。プラズマ製造は、プラズマ技術の多くの初期の応用の 1 つです。機械圧縮、自己磁気圧縮、熱圧縮後に形成されるプラズマの高温、高エネルギー密度などの特性を利用して、溶接、切断、積層造形などの部品を加工および製造することを指します。 1954年、米国ユニオンカーバイド社のロバート・ゲージは、圧縮アークのエネルギーがより集中し、アーク温度とジェット速度が大幅に改善されることを発見しました。この高温と長いアーク柱の特性を持つ拘束アークは、すぐに非鉄金属の切断に使用されました。さらに実験的研究を行った結果、この圧縮アークは溶接にも使用できることが確認され、プラズマ製造技術の新しい時代が開かれました。プラズマ製造技術の登場により、製造業の発展が大きく促進され、業界を悩ませてきた多くの困難が解決されました。

プラズマ溶接製造技術 プラズマ溶接製造とは、圧力容器やエンジンシリンダーの溶接成形など、溶接方法によって部品を加工・製造するためにプラズマ技術を使用することを指します。原理を図 1 に示します。現在主流のプラズマ溶接技術は、主に穿孔プラズマ溶接、プラズマ-MIGハイブリッド溶接、レーザープラズマ複合溶接に分けられます。

1) 穿孔プラズマ溶接 穿孔プラズマアーク溶接は、貫通プラズマアーク溶接やキーホール溶接とも呼ばれます。プラズマアークを利用してワークピースを溶かし、プラズマ流力の作用によりワークピースを貫通する小穴が形成され、小穴の周囲に溶融池が分布します。プラズマアークが動き続けると、小孔の前端に新しい溶融金属が継続的に形成され、溶融池の壁に沿って後方に流れます。小孔もアークとともに移動するため、これらの金属は小孔の元の位置を埋めます。凝縮後、溶接部が形成され、溶接部の断面は「逆ラッパ」の形になります。この方法は片面溶接と両面成形が可能で、厚板の下地溶接によく使用されます。穿孔プラズマアーク溶接のプロセスパラメータの調整可能な「ウィンドウ」が小さいため、このプロセスに関する研究はほとんど行われていません。国内外の研究者の主な努力は、プラズマアーク、溶融池、キーホール形成プロセスの熱場または流れ場の数値シミュレーションと分析に集中しています。数値シミュレーションは海外でも早くから行われており、例えば1988年にカリフォルニア大学バークレー校のYF Hsuらは、多孔プラズマアーク溶接の熱伝達と流体の流れに関する数値計算を行い、2次元準定常有限要素数値モデルを確立しました。1993年には、R. G． Keanini らは、初めて、穿孔プラズマアーク溶接の熱場と流れ場の 3 次元準定常有限要素モデルを提案しました。1999 年には、HG Fan らがプラズマアーク溶接における熱伝導と流体の流れの 2 次元過渡モデルを確立しました。

中国では、2002年にハルビン工業大学の呉林、董紅剛らが主導して、固定穴プラズマアーク溶接用のプラズマアークの2次元定常熱伝導モデルを確立し、溶融池の電流密度と温度分布をシミュレートし、反復法で溶接深さと幅を計算しました。その結果は実験の結論と一致していました。 2006年、山東大学の呉川松らは、プラズマアークの溶融池に対する「掘削」効果と厚さ方向のプラズマアーク熱流束分布を分析した後、3次元過渡小穴プラズマアーク溶接熱場の有限要素モデルを提案しました。シミュレートされた溶融池の形状と進化法則は実験結果に近く、定常状態に近づいたときの端面形状と定常状態に到達する時間も測定結果と一致しています。

2) プラズマMIGハイブリッド溶接
プラズマ MIG ハイブリッド溶接は、プラズマガスシールドタングステンアーク溶接とガスシールドメタルアーク溶接を組み合わせた複合熱源溶接プロセスです。従来の MIG 溶接プロセスと比較すると、その最大の利点は、溶接速度が 2 倍になること、入熱量が少ないこと、HAZ が狭いこと、溶接変形とスパッタが小さいこと、プラズマピンホール効果が顕著であること、浸透深さが深いことです。海外では、1972年にオランダのPHILIPS社の研究センターのWG EssersとAC Liefkensが初めてプラズマMIG溶接法を提案し、1980年代にその装置を開発し、ドイツの工場で使用されました。 1995 年、ウクライナの Paton Welding Institute のエンジニアがイスラエルに Plasma Laser Technologies (PLT) を設立し、Super-MIGD プラズマ近軸複合熱源溶接製品シリーズを開発しました。プラズマMIG溶接技術では、日本のT.小川らは、適切なプロセスパラメータを決定することで銅と鉄の異種接合部の性能を改善しました。1992 年には、ドイツの R. Draugelates らは、プラズマ MIG 溶接をアルミニウム合金の水中溶接に成功裏に使用しました。ブラジルなどの国の多くの科学研究者もこの分野で多くの研究を行ってきました。

中国では、ハルビン工業大学の呉林氏らが、アルミニウム合金の溶接を実現するために、二重出力同軸複合溶接システムを確立した。瀋陽理工大学の李徳元氏らは、プラズマ-MIG同軸複合ガン本体とPLC主制御装置を設計することでプラズマ電源とMIG電源の融合に成功し、ガン本体の流れ場と温度場のシミュレーション、溶融池の形状と温度場の形態のシミュレーション、アーク始動プロセス、液滴遷移、組織構成などについて詳細な研究を行った。ハルビン溶接研究所の周大中、孫軍らは、単一出力プラズマMIG溶接法を提案し、急峻な電圧降下特性を持つ溶接電源を使用して2つのアークに同時に電力を供給する単一出力プラズマMIG溶接法を研究しました。また、この方法のアーク特性、例えば電流分布と調整特性、電圧と電位の関係、溶滴遷移とアーク形態などを研究しました。実験結果によると、この方法はシンプルで実装しやすく、実際の生産アプリケーションに適しています。

3) レーザープラズマハイブリッド溶接
レーザープラズマハイブリッド溶接とは、高いエネルギー密度を持つレーザーとプラズマを使用して、特殊用途の溶接ニーズを満たす相補的な利点を備えた溶接システムを形成することを指します。海外では、イギリスのコンベントリー大学が1992年から400WのCO2レーザーと50Aのプラズマ複合材を使用して、厚さ0.6～0.8mmのステンレス鋼、チタン、アルミニウム合金などの材料を溶接しています。その結果、レーザー溶接のみの場合と比較して、複合材の溶接速度が1～1.5倍向上し、反射率の高いアルミニウム合金材料を溶融できることが分かりました。ウクライナのクリフツン・イゴールは、レーザープラズマ複合溶接の溶滴遷移プロセス、溶接プールのダイナミクス、プールの温度分布、プールの形態、穿孔プロセスをシミュレーションしましたが、結果は実際の状況と一致していました。中国では、北京航空製造工学研究所のChen Li氏が、YAGレーザープラズマ複合溶接時の熱源のスペクトル特性を研究しました。清華大学のDu Dong氏、Li Zhining氏らは、レーザープラズマ複合溶接の熱伝達と流れの特性を研究した。

プラズマ切断製造技術 プラズマ切断製造技術は、高温プラズマアークの熱を利用してワークの切断部の金属を局所的に溶融（蒸発）させ、高速プラズマの運動量を利用して溶融金属を除去して切断部を形成し、目的のワークを製造する製造方法です。その原理を図2に示します。一般的に、プラズマ切断製造技術は、水注入式エアプラズマ切断製造技術、逆極性エアプラズマ切断製造技術、水中プラズマ切断製造技術の 3 つのカテゴリに分けられます。

1) 水噴射エアプラズマ切断製造技術 水注入プラズマ切断には次のような利点があります。
1) 新しい水注入式プラズマ切断トーチでは、蒸発した水蒸気の一部がプラズマを形成し、プラズマアークの最高温度が上昇し、プラズマの浸透能力が向上します。
2) 切断金属のエッジの窒化層を減らすことで、溶接中に気孔や亀裂などの欠陥が発生するのを防ぐことができます。
3) 刃先の垂直性を高め、切断面の粗さを低減し、溶接継手の強度を向上させます。
4) 酸素アセチレン切断に比べ、切断端面の熱影響部が2/3に減少し、微小硬度が1/2に減少します。
5) 切断部品のエッジ変形が低減され、そのまま溶接に使用できます。
現在、ウクライナのパットン社のみがプラズマ切断装置のPLAZER-Cutシリーズを開発しています。

2) 逆極性エアプラズマ切断製造技術 通常のプラズマ切断と比較して、逆極性エアプラズマ切断には次のような優れた利点があります。
1) 小穴の熱吸収能力が1.5倍に増加し、溶接効率が20％～40％向上します。
2) 切断厚さは2～3倍に増加し、最大厚さは200mmに達します。
3) 切開幅が10%～15%減少します。現在、ウクライナのパットン研究所が研究を進め、電極の耐用年数を改善しました。

3) 水中プラズマ切断製造技術
水中プラズマ切断には次のような利点があります。
1) プラズマアーク切断時のアーク光、騒音、煙による汚染を効果的に低減します。
2) ワークピースの切削温度を下げて変形を軽減します。
切断ガンからはプラズマガスが噴出されるだけでなく、プラズマアークの周囲に高速水流も噴出され、プラズマアークをさらに圧縮するのに役立ちます。ウクライナのパットン社が開発した水中プラズマ切断装置は、海水中で厚さ25mmの鋼鉄や非鉄金属を27mmまで切断できる。切断対象物を空中に置くと、切断厚さは80mmに達する。ドイツのメッサー、米国のL-TEC、武漢金家CNCなどの企業も、対応する製品を開発している。

プラズマ積層造形技術
プラズマ積層造形技術とは、プラズマの高温・高エネルギー密度特性を利用して金属や非金属材料を溶かし、層ごとに材料を積み重ねて部品を形成する製造技術を指します。従来の減算型製造技術と比較して、以下の優れた利点があります。3次元デジタル製造の実現が容易で、特に加工が難しい材料や複雑な構造部品の研究と製造に適しています。原材料の利用率が高く、グリーン製造の概念に沿っています。付加製造後の性能と品質が優れており、構造の軽量化が実現されることもあります。製品はツールや金型の助けを借りずに直接製造でき、応答速度が速いです。プラズマ積層造形技術は比較的遅れて発展したため、国内外での研究がほぼ同時に始まったため、その差は大きくありません。同時に、プラズマ積層造形技術はまだ開発の初期段階にあるため、Xiang Yonghua氏やXu Binshi氏など少数の科学研究者のみが研究を行っています。

付加製造装置 積層造形技術（一般に3Dプリンティングとして知られています）は、近年急速に発展しているハイエンドのデジタル製造技術です。これは、材料を徐々に積み重ねる方法を使用して固体部品を製造する技術であり、従来の材料除去-切断加工技術と比較して、「ボトムアップ」製造方法です。その動作図を図3に示します。

積層造形装置は、積層造形技術の発展の担い手、積層造形技術を支えるハードウェア、積層造形技術を用いて部品を製造する工程で使用される装置の総称です。したがって、積層造形装置の出現は必然的に新しい積層造形技術の開発を伴い、新しい積層造形技術は今度は人々が新しい積層造形装置を模索することを促進し、この2つは相互に依存しています。以下では、積層造形技術の発展と合わせて、積層造形装置の開発について簡単に紹介します。

付加製造技術は、1980 年代後半に開発された新興の最先端技術であり、製造技術分野における大きな進歩と考えられています。開発の初期段階では、積層造形技術は主に金型加工のほか、組み立てや機能テストのためのサンプル加工に使用されていました。過去 10 年間、継続的な進歩により、付加製造技術は実際の製品の加工に徐々に適用されるようになりました。特に金属部品の積層造形技術は急速に発展しており、複雑な構造や高価な材料を使用した製品の製造や、小ロットのカスタマイズ生産において、コスト、効率、品質の面で優れた利点を持っています。そのため、積層造形技術は国防分野で各国政府から高い注目を浴びており、政府資金や企業の研究開発資金などを通じて多額の研究開発資金が投入されています。

2006 年、米国国防総省の次世代製造技術プログラム (NGMTl) は、付加製造技術への投資に重点を置きました。ボーイング、ロッキードマーティン、ジェネラルダイナミクス、レイセオンなどの軍事企業が研究に参加し、チタン合金などの高価値材料部品の付加製造技術の開発と応用を積極的に推進しました。 2010年、EUの第6次フレームワークプログラムは、「大型航空宇宙部品の迅速生産」（Aapolac）プロジェクトを開始しました。このプロジェクトは、チタン、ニッケル、鋼の堆積技術に重点を置き、金属堆積成形プロセスの実現可能性を向上させることを目的としています。 2012年、米国国防高等研究計画局（DARPA）は、「革新的な金属処理、直接デジタル堆積（CIMP.3D）」研究センターの設立に資金を提供しました。この研究センターは、高度な付加製造技術の開発、DARPAのオープン製造プログラムのサポート、および米国防衛分野の主要な金属システムの開発と製造における付加製造技術の応用を促進および展開するための製造デモンストレーション工場としての役割を果たすことを目的としています。

2011年以来、英国政府は付加製造技術の研究開発資金を継続的に増加させています。英国工学物理科学研究評議会には付加製造研究センターがあり、ラフバラー大学、バーミンガム大学、英国国立物理学研究所、ボーイング社、ドイツのEOS社など、15の著名な大学、研究機関、企業が参加しています。英国や米国に加え、他の先進国でも積層造形技術の開発を促進するための取り組みが積極的に行われている。ドイツは直接製造研究センターを設立し、主に航空宇宙分野の軽量構造における積層造形技術の応用を研究・推進しています。フランス積層造形協会は積層造形技術標準の研究に取り組んでいます。スペインは政府の資金援助を受けて積層造形を開発するための特別プロジェクトを立ち上げ、研究内容には積層造形の共通技術、材料、技術交流、ビジネスモデルの4つの側面が含まれています。2012年2月、オーストラリア政府は航空宇宙分野の革命的なプロジェクト「マイクロエンジン積層造形技術」への支援を発表しました。これは積層造形技術を使用して航空宇宙分野でマイクロエンジン部品を製造し、この技術の航空宇宙およびその他の分野への応用を効果的に推進するものです。

そのため、積層造形技術は、その独自の利点から世界中で広く注目されており、研究に多額の投資を行っている英国や米国などの先進国だけでなく、欧州のEADSやロールスロイスに代表される大手航空宇宙・軍事企業からも高く評価されており、これら企業も「生産、学習、研究」のアプローチを採用して積層造形技術の研究と応用を行っています。世界中の政府の高い注目と科学研究者のたゆまぬ努力により、積層造形技術は飛躍的な進歩を遂げました。もちろん、積層造形技術の発展とともに、積層造形装置も大きく進歩しました。既存の積層造形技術には、使用される積層造形装置が使用する熱源に応じて、主にレーザー積層造形技術、電子ビーム積層造形技術、プラズマ積層造形技術などがあります。

レーザー積層造形技術 レーザー積層造形技術とは、レーザーを材料を溶かす熱源として利用し、積層造形装置を開発し、この装置を使用してスペアパーツを積層造形することを指します。通常、レーザー直接溶融堆積（LMD）積層造形技術とレーザー選択溶融（SLM）積層造形技術に分けられます。

1) レーザー直接溶融堆積（LMD）積層造形技術
LMD 技術は、CAD レイヤリングによって生成されたグラフィックファイルに従って、同期搬送金属原料方式を使用して 3 次元金属部品を層ごとに堆積させるプロセスです。その動作概略図を図 4 に示します。

LMDの主な特徴は、同軸粉末供給、大きなスポット径、高いレーザー出力（数キロワット）、粉末の完全溶融、高い成形効率、1～3mmの成形精度です。一般的には、比較的複雑な形状の大型金属部品ブランクの製造に使用され、使用前に部品を加工する必要があり、加工代も大きくなります。

サンディア国立研究所とロスアロモス国立研究所は、米国エネルギー省の研究プログラムの支援を受けて、LENSとLMDと呼ばれる技術の開発を主導し、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン合金、高融点金属などの材料の構造と特性を研究しました。この技術は、スタンダードミサイル3（SM3）ミサイルの3次元誘導姿勢制御システムのレニウム部品の製造に使用され、製造コストと製造サイクルを50％削減できるため、高性能金属部品の直接成形におけるこの技術の利点が実証されました。

この技術は大型チタン合金構造部品の直接成形において優れた利点があり、航空機やその他の機器の研究と生産に幅広く応用できるため、高性能チタン合金構造部品のレーザー急速成形の研究は常にこの分野の研究焦点となっています。カリフォルニア先端構造研究所は、大傾斜構造部品の製造を実現できる大型構造部品の製造用 MX3D ロボットを設計しました。エアバスのA300とA350XWBモデルは3Dプリント部品の使用を開始した。一部のブラケット部品は重量を30％から55％削減でき、多くの原材料を節約できる。

レーザー直接溶融堆積 (LMD) 積層造形技術には、次の主な特徴があります。
（１）金型が不要
（２）難加工金属材料の製造に適している。
（３）高精度、複雑な部品のニアネットシェイプ成形が可能
（４）内部構造が細かく均一であり、機械的性質が優れている。
（５）勾配材料を調製することができる。
（６）損傷部分の迅速な修復が可能となる。
（７）加工柔軟性が高く、多品種・変種バッチ部品製造の迅速な転換が可能。

2) 選択的レーザー溶融（SLM）積層造形技術 レーザー選択溶融製造技術は、部品のCADモデルを層状にスライスし、事前粉末化法を使用し、走査型ガルバノメータを駆動してコンピュータ制御下でグラフィック軌道に沿って選択領域の合金粉末層をスキャンし、スライスと同じ厚さで部品の特定の断面の形状の薄い金属層を溶融して堆積させ、部品のCADモデルと一致する金属部品が製造されるまで続きます。作業プロセスの概略図を図5に示します。

2003年末、ドイツは世界初のSLM装置を発売しました。近年、ドイツのEOS、Concept Laser、SLM Solutions、英国のRenishawなどのテクノロジー企業は、レーザー選択溶融積層造形技術と装置で大きな進歩を遂げています。 SLM 装置で使用されるレーザーは、ほとんどがビーム品質が高く、メンテナンス性に優れ、光電変換効率が高いファイバーレーザーです。レーザー選択溶融積層造形技術の堆積効率をさらに向上させるために、ドイツのSLM-Solutions社は2012年11月に2つのレーザー/2つの走査ガルバノメータを使用してレーザー選択溶融積層造形成形システムを形成しました。この装置の成形サイズ範囲は500mm×280mm×325mmです。2つのレーザー走査装置は独立してまたは同時に動作することができ、大型で複雑な部品のアプリケーション要件を満たすことができます。応用面では、GEは米国の大手企業の中で初めて金属材料のレーザー溶融積層造形の研究開発チームを設立し、2012年にはSLM製造技術を専門とするモリス社とRQM社を買収した。 GE は SLM を使用して LEAP ジェットエンジンの燃料ノズルを製造する予定です。各エンジンには19個の燃料ノズルが搭載される予定です。 GEは今後3年間で年間2万5000個、合計約10万個の燃料ノズルを生産する予定だ。

2012 年、NASA のマーシャル宇宙飛行センターの科学者とエンジニアは、レーザー選択溶融技術を使用して、スペースローンチシステムの大型打ち上げロケットで使用する複雑な構造金属部品のサンプルを製造しました。 NASA は、この技術により部品の製造に必要な時間が大幅に短縮され、場合によっては製造時間が数か月から数週間に短縮され、コストが削減される可能性があると考えています。部品を溶接する必要がなくなったため、構造がより強固で信頼性が高くなり、ロケット全体がより安全になりました。 NASAは現在、2017年に予定されているスペース・ローンチ・システム初の飛行試験で、選択的レーザー溶融技術を使用して製造された部品を使用する予定だ。 2013年8月、NASAはSLMが製造したJ-2Xエンジンインジェクターサンプルに対して高温試験を実施しました。その結果、SLMが製造した部品はエンジン部品の設計および使用要件を完全に満たすことができることが示されました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の宇宙開発探査チームは、3D プリントを使用してロケットエンジンの推力室コンポーネントを製造しています。従来の製造方法と比較して、3D プリント技術はロケットエンジンに新しい製造方法を提供します。

SLM 製造のレーザー出力は、主に以下の特性により、一般に数百ワットのレベルになります。

（１）高精度（0.05mmまで）、品質良好、加工公差が小さいか全くない。精密な表面合わせを除き、製造された製品は通常、サンドブラストや研磨などの簡単な後処理を施せばすぐに使用できる。
（２）中小型の複雑構造部品（特に複雑な薄肉空洞構造部品）の高精度、一体型、高速製造に適しています。

電子ビーム積層造形技術
電子ビーム積層造形技術とは、電子ビームの高温・高エネルギー密度を利用して材料を溶かし、材料を添加することで成形部品を製造する積層造形装置を開発する製造技術を指します。通常、電子ビーム溶融（EBFF）積層造形技術と選択的電子ビーム溶融（EBM）積層造形技術に分けられます。

1) 電子ビームヒューズ（EBFF）積層造形技術 電子ビーム溶融ワイヤ積層造形技術は、電子ビーム自由造形 (EBFF) とも呼ばれます。真空環境で、高エネルギー密度の電子ビームが金属表面に照射され、溶融池を形成します。金属ワイヤはワイヤ供給装置から溶融池に供給され、溶融されます。同時に、溶融池は事前に計画された経路に沿って移動します。金属材料は層ごとに固化して蓄積し、金属部品またはブランクが製造されるまで、緻密な冶金結合を形成します。原理を図 6 に示します。

欧米などの先進国は科学研究力が比較的強いため、アメリカのSciaky社は電子ビームヒューズ積層造形装置の開発に成功しました。電子ビームヒューズ積層造形法の出力は数十キロワットに達し、製造精度は約2～4mmであり、複雑な構造を持つ大型ワークピースの生産効率を向上させる上で大きな意義があります。

電子ビーム溶融ワイヤ積層造形法には、次のような利点があります。
（１）高い堆積効率。電子ビームは数十kWの高出力を簡単に達成でき、高出力では非常に高い堆積速度（15kg/h）を達成できます。大型金属構造の形成では、電子ビームヒューズ積層造形の速度上の利点は非常に明白です。
（２）真空環境は部品の保護に役立ちます。
電子ビーム溶融ワイヤ積層造形は10-3Paの真空環境で行われ、高温条件下で空気中の有害な不純物（酸素、窒素、水素など）が金属部品に混入するのを効果的に防ぐことができ、チタンやアルミニウムなどの活性金属の加工に非常に適しています。
（３）内部品質が良好である。電子ビームは「本体」の熱源であり、溶融池は比較的深いため、未溶融層の現象を排除できます。同時に、電子ビームスキャンを使用して溶融池を回転させ、攪拌することで、気孔などの欠陥を大幅に削減できます。電子ビーム溶融堆積法で形成されたチタン合金部品の内部品質は、超音波探傷検査によって AA グレードに達することができます。
（４）多機能な処理が可能となる。

2) 選択的電子ビーム溶融（EBM）積層造形技術 選択的電子ビーム溶融（EBM）積層造形技術とは、偏向コイルによって駆動される電子ビームが事前に計画された経路に沿って走査し、あらかじめ敷かれた金属粉末を溶融することを指します。1層の走査が完了すると、作業キャビンが1層下降し、粉末スプレッダーが新しい層の粉末を敷きます。このプロセスは、必要な金属部品が製造されるまで、層ごとに繰り返されます。処理プロセス全体は10-2Paを超える真空環境で行われるため、空気中の有害な不純物の影響を効果的に回避できます。原理図を図7に示します。

選択的電子ビーム溶融（EBM）積層造形技術は、1990年代初頭にスウェーデンで生まれました。スウェーデンのチャルマース工科大学とArcam社が共同で選択的電子ビーム溶融（EBM）積層造形技術を開発し、CAD-to-Metalとして特許を申請しました。 2003年にArcamはEBM装置を独自開発し、現在はEBM装置を主に製造しており、成形技術の発展も考慮しながら製品がシリーズ化しています。米国、日本、英国、ドイツ、イタリアなど多くの研究機関、工場、大学が当社からEBM設備を購入し、航空、宇宙、医療、自動車、美術造形などさまざまな分野の研究を行っています。その中でも、バイオメディカルインプラントの研究は比較的成熟しています。

近年、航空宇宙分野での応用も急速に進んでいます。ボーイング、シナジーグループ、CalRAM、イタリアのAvioなどは、ロケットエンジンのノズル、耐荷重サポート、着陸装置部品、エンジンブレードなどについて多くの研究を行っており、一部はバッチで適用されています。主な材料は銅合金、Ti6Al4V、TiAl合金などです。この材料は電子ビームエネルギーの吸収率が高く安定しているため、電子ビーム選択溶解技術はいくつかの特殊な合金材料を加工することができます。選択的電子ビーム溶融積層造形の精度は約0.3mmで、電子ビームの最大走査速度は7km/sに達し、複数の電子ビームの同時走査も実現できます。

選択的電子ビーム溶融積層造形技術には、主に以下の特徴があります。
（１）真空作業環境により空気中の不純物が材料に混入するのを防ぐことができます。
（２）電子ビーム走査制御は電磁場を利用し、機械的な動きがなく、信頼性が高く、制御が柔軟で、応答速度が速い。
（３）成形速度は60cm3/hと高速で、レーザー選択溶融法の数倍の速度に達する。
（４）電子ビーム走査とビームパラメータのリアルタイム調整により、部品の表面温度を制御し、欠陥や変形を低減することができる。
（５）温度制御性能が優れているため、TiAlなどの金属間化合物材料の加工が可能となる。
（6）寸法精度は±0.1mmに達し、表面粗さはRa15～50程度で、基本的にネットシェイプに近い。
（７）真空環境下での成形では保護ガスの消費が不要で、電気と少量の陰極材料のみを消費し、溶融しなかった金属粉末をリサイクルできるため、生産コストを削減できます。
（８）チタン合金、銅合金、コバルト基合金、ニッケル基合金、鋼鉄等の加工が可能。

プラズマ積層造形技術
プラズマ添加剤の製造技術とは、材料を追加することで部分を形成するための加熱源としてプラズマを使用して開発された添加剤の製造装置を使用する製造方法を指します。プラズマ添加剤の製造技術は、レーザー添加剤の製造技術と電子ビーム添加剤の製造技術よりも遅く開発されているため、プラズマ熱源の優れた利点により、多くの科学的研究者の注目を集めているため、海外での研究作業は比較的少ないためです。プラズマ添加剤製造技術は、一般に、プラズマ堆積成形添加剤製造技術とプラズマ選択的融解添加剤製造技術に分割することができます。

1）プラズマ沈着成形添加剤製造技術 添加剤の堆積添加剤の堆積物は、同期して供給された金属粉末を溶かすために、高速で焦点を当てたプラズマビームを使用しており、基板上に層を蓄積して、等型型の服装を形成しています図8。
早くも2002年、Zhang HaiouとHuazhong科学技術大学の他の人々は、血漿堆積成形添加剤製造技術に関する研究を開始しました。研究グループは、添加剤の製造装置を形成するプラズマ堆積を独立して開発し、機器に基づいて、添加剤の製造プロセスを形成するプラズマ堆積に関する研究を実施し、アーク電流、堆積速度、粉末摂食量の関係を決定しました。同じ年に、Xu Wenjiなどは、ダリアン工科大学の他の人々も、金型での血漿堆積成形添加剤の製造の適用を研究しました。

添加剤の製造技術を形成するプラズマ堆積には、次の主な機能があります。
（1）低い機器のコストと簡単な操作とメンテナンス。
（2）作業環境の要件が低く、一般的な工場環境に適応できます。
（3）簡単に自動化できます。

2）プラズマ選択的融解添加剤製造技術 プラズマ選択的融解添加剤の処理原理は、基本的にレーザー選択的融解添加剤添加剤添加剤添加剤添加剤技術の処理と類似しています。第一に、部品の3次元デジタルモデルは、3次元の固形モデルソフトウェア（CAD）によって設計されています。層状のファイルを取得するために、各レイヤーセクションのスライスした2次元の輪郭が取得され、2次元の輪郭が埋められ、層状のデータが実行され、プラズマアークは、粉末の粉末に溶け込みます。 x、y、およびz軸は、形成パスの形成データと材料要件に応じて正確に配置され、スキャンとクラッドは現在の層の幾何学的形状に従って実行されます。クラッディングの各層が完了した後、溶接ガンは一定の距離に上昇し、金属部品の直接精度形成は、層ごとにクラッディングすることによって最終的に達成されます。

2010年、Xiang Yonghua、Xu Binshiなど、装備の主要な研究所の装甲Engineering Academyは、マイクロビームのプラズマクラッディングテクノロジーに基づく直接的な金属形成方法を提案しました。実験結果は、マイクロプラズマクラッディング直接製造システムが、良好な形成と微細な構造を持つ金属部品を取得できることを示しています。 2013年、南京航空大学のZhang Yuなどは、ロボットの積層製造に基づいて研究を実施し、アーククレーターの崩壊を解決するための技術的手段を調査し、滑らかな表面で部品を準備するための形成プロセスの完全なセットを提案し、最終的には低炭素スチールとアルミニウムのアリウムを生産しました。結果は、アーククレーターの崩壊の問題は、熱入力を減らし、ロボット命令にアーククレーターの充填作用を追加し、溶接経路によって形成された部分を適切に重ねることで、うまく解決できることを示しています。プラズマ選択的融解添加剤製造技術は、添加剤の製造技術を形成するプラズマ堆積と同じ利点を持っていますが、ここでは繰り返されません。

要約すると、Additive Manufacturing Technologyは、従来の減算技術とは異なる新しい製造技術です。添加剤の製造機器は、添加剤の製造技術の開発と、その開発をサポートするハードウェア測定のためのキャリアです。

添加剤の問題とソリューション添加剤の製造技術は、世界から大きな注目を集めており、特定の科学的研究の進歩を達成していますが、成長プロセスのテクノロジーであり、現在はパーソナライズされたシングルピース生産に使用されていません。

添加剤の製造技術には、まだ次の問題があります。
1）プラスチック射出成形機などの成熟した大量生産形成技術と比較して、添加剤製造技術の生産コストは高すぎます。従来の切断技術と比較して、製品の寸法精度と表面の品質はまったく異なります。添加剤の製造技術は、現在、大規模に適用して利益を生み出す前に、開発と蓄積の長い時間がかかると見なすことができます。

2）現在の金属添加剤の製造技術は、最終部品として使用する前に、過剰、不連続、および粗い金属を除去するために表面の機械加工を受ける必要がある部品を直接形成することはできません。

3）現在、材料の選択肢が最大の障害である可能性があります。添加剤の材料は100を超えていますが、産業では10,000を超える材料が使用されている可能性があります。

4）添加剤によって直接形成された金属部品は、融点に近い温度で繰り返し加熱され、形成された体は容易に混合され、溶融粉末と胚の欠陥は不完全です。

5）3D設計技術の普及は、添加剤の製造技術が世帯に入ることができるかどうかに関連しています。市場は、子どもたちが運営し、愛することができるソフトウェアを求めています。

上記の問題を解決するために、既存の添加剤製造技術を次の側面で改善する必要があります。
1）新しい添加剤製造機器を調査します。低コストの添加剤製造装置の開発に焦点を当てて、添加剤の製造コストを削減します。同時に、新しい添加剤の製造装置の処理精度が改善され、添加剤の製造技術を使用して製造された部品が他の処理手順を実行することなく使用要件を満たすことができます。

2）添加剤の材料に関する研究を加速します。現在、添加剤の製造に適した材料の種類は限られているため、添加剤の製造技術の開発は大幅に制限されています。

3）添加剤製造のプロセスとシミュレーションに関する研究。添加剤の製造プロセスの研究に焦点を当て、コンピューターシミュレーションテクノロジーを使用して添加剤の製造プロセスをシミュレートし、コンポーネントの形成品質に影響を与えるコンポーネント製造プロセスの熱と力などの要因を分析し、添加剤の製造コンポーネントの性能を向上させます。

政府の注目を集め、科学的研究者の不断の努力を伴う添加剤製造の開発動向であるAdditive Manufacturing Technologyは、主に次の方向に発展しています。

1.わずかなフリー、高精度、および新しい材料形成に向けて開発します。既存の添加剤製造技術には、製造精度が低く限られた材料タイプなど、依然としてさまざまな欠陥があるため、これにより、科学研究者はこの分野での研究を増やし、ほぼ欠陥のない高精度のマルチマチアリアルコンポーネントを製造するように促します。

2。マルチフィールドアプリケーションに開発します。添加剤の製造技術は現在、主に航空分野に集中しており、小さなアプリケーション分野を持っています。添加剤の製造技術の利点は傑出しており、他の分野に比較的拡張されています。今日、添加剤の製造技術は、人工骨などを印刷するために使用される生物医学の分野に拡大しています。

3.複数の熱源の複合添加剤の方向に向かって開発します。現在、主な添加剤の製造機器は基本的に単一の熱源に基づいて開発されており、各単一の熱源には制限があります。複数の熱源を組み合わせることにより、補完的な利点を形成し、より完全な添加剤の製造装置を形成し、添加剤の製造技術のさらなる開発を促進することができます。

4。添加剤の製造機器はさらに商業化されます。海外の開発状況から判断すると、添加剤の製造技術ごとに、1つまたは複数の成熟した商業機器メーカーがあり、一連の添加剤製造機器を形成しています。同時に、ハードウェア機器の製造に加えて、外国の機器製造業者は、プロセスと材料の特性を形成する典型的な材料を形成する典型的な材料技術を習得し、比較的完全なプロセスパラメーターデータベースを形成し、典型的な材料形成プロセスと材料特性に関する多数の研究を実施しています。アプリケーションの需要の増加に直面して、添加剤の製造装置の開発はさらに商業化されます。

編集および編集：ホッキョクグマ著者：Cao Xiuquan

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