航空分野における金属積層造形技術の開発と応用

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-7 10:38 に最後に編集されました。

航空業界では、1980 年代に積層造形技術が使用され始めました。それ以前は、積層造形は航空機製造業界におけるラピッドプロトタイピングにおいてわずかな役割しか果たしていませんでした。最近の開発動向では、この技術が航空宇宙産業チェーン全体において戦略的な位置を占めることになるだろう。ボーイング、エアバス、ロッキード・マーティン、ハネウェル、プラット・アンド・ホイットニーはいずれも模範的な行動をとった。

新世代の航空機は、高性能、高信頼性、長寿命、低コストに向けて絶えず進化しています。一体型構造がますます採用され、部品はより複雑で大規模になり、積層造形技術の開発と応用が促進されています。積層造形技術は、部品の3D CADモデルから始めて、金型なしで直接部品を製造するため、コストを大幅に削減し、開発サイクルを短縮できます。これは、現代の航空機の迅速かつ低コストの開発を満たす重要な手段です。また、航空宇宙における超仕様で複雑な金属構造の製造を満たすための重要な技術の1つでもあります。

電子ビームヒューズ堆積 電子ビームヒューズ堆積技術は、電子ビーム自由形状製造技術 (EBF3) 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、溶融池が形成されます。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され、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。
電子ビームヒューズ堆積ラピッドプロトタイピング技術には、主に以下の側面に反映されるいくつかの独自の利点があります。
（１）高い堆積効率。電子ビームは数十kWの高出力を容易に達成でき、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堆積形成速度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。電子ビーム溶着は10-3Paの真空環境で行われるため、空気中の有害な不純物（酸素、窒素、水素など）が高温で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。電子ビームの出力は広範囲に調整可能で、ビームの移動と焦点合わせは電磁場を通じて柔軟に制御できるため、高周波の複雑なスキャン動作が可能になります。表面スキャン技術により、大面積の予熱と徐冷を実現できます。マルチビーム分割処理技術により、複数のビームを同時に動作させることができます。同じ装置で、溶融堆積成形とディープフュージョン溶接の両方を実現できます。電子ビームの多機能加工技術を活用することで、部品の構造形態や性能要件に応じてさまざまな加工技術を組み合わせて採用することができ、複数の工程を調整して設計と製造を最適化し、コスト効率の最適化を実現できます。

この技術を最初に提案したのは、マサチューセッツ工科大学の VR Dave らで、インコネル 718 合金のタービンディスクを試作しました。 2002年、NASAラングレー研究センターのKMタミンガーらは、微小重力条件下での成形技術の研究に重点を置いたEBF3技術を提案した。同時期には、海軍、空軍、国防総省などの支援を受け、アメリカのシアキー社もロッキード・マーティン社、ボーイング社などと共同で、主に大型航空機金属部品の製造に焦点を当てた研究を行っていた。チタン合金を成形する場合、最大成形速度は 18kg/h に達し、機械的特性は AMS4999 規格の要件を満たします。ロッキード・マーティンは、F-35航空機のフラッペロンビームに鍛造ではなく電子ビーム信管堆積法を採用し、部品コストを30～60％削減できると予想している。電子ビーム溶融堆積法で形成されたチタン合金部品を搭載したF-35航空機が2013年初めに試験されたと報告された。 2007年、米国CTCは総合チームを率いて海軍の無人戦闘機計画のための「無人戦闘機金属製造技術移行プログラム」（N-UCAS金属製造技術移行プログラム）を策定し、将来の大型構造物を低コストかつ効率的に製造するためのソリューションとして電子ビームヒューズ堆積成形技術を選択しました。目標は、ドローンの金属構造の重量とコストを 35% 削減することです。

画像：Sciaky社が製造した部品。AVIC北京航空製造工学研究所は2006年に電子ビームヒューズ堆積技術の研究を開始し、電子ビームヒューズ堆積装置を開発しました。開発された最大の電子ビーム成形装置は、真空チャンバー46m3、有効加工範囲1.5m×0.8m×3m、5軸リンク、デュアルチャネルワイヤ供給を備えています。これを基に、TC4、TA15、TC11、TC18、TC21、A100超高強度鋼などのチタン合金の機械的特性を研究し、多数のチタン合金部品や試験片を開発しました。 2012年に電子ビームヒューズフォーミング法で製造されたチタン合金部品が、国内の航空機構造物に初めて搭載されました。

画像：北京航空製造工学研究院が開発した電子ビームヒューズ堆積成形装置
レーザー直接堆積積層造形法 レーザー直接堆積技術は、ラピッドプロトタイピング技術とレーザークラッディング技術に基づいて開発された高度な製造技術です。この技術は離散/堆積原理に基づいており、部品の3次元CADモデルを積層することで、各層セクションの2次元輪郭情報を取得し、加工経路を生成します。不活性ガス保護環境において、高エネルギー密度レーザーを熱源として使用し、所定の加工経路に従って、同期して供給される粉末またはワイヤを層ごとに溶融して堆積させ、金属部品の直接製造と修理を実現します。

レーザー直接堆積技術の特徴は次のとおりです。
（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。

私の国では、西安ポリライト社の LSF 装置がこのタイプの技術の代表例です。また、代表的な企業としては、米国のOPTOMEC、フランスのBeAM、ドイツのTRUMPF、CNC工作機械企業向けに積層造形パッケージを提供するHYBRIDなどが挙げられます。レーザー直接堆積技術は、1990 年代に米国で初めて開発されました。 1995 年、米国のサンディア国立研究所は、レーザー光線を直接使用して金属粉末を層ごとに溶かし、高密度の金属部品を製造する高速ニアネット成形技術を開発しました。それ以来、サンディア国立研究所は LENS 技術を使用して、ニッケル基高温合金、チタン合金、オーステナイト系ステンレス鋼、工具鋼、タングステンなどのさまざまな金属材料の成形プロセス研究を多数実施してきました。

1997 年、Optomec Design は LENS 技術の商用化ライセンスを取得し、レーザー直接蒸着装置の完全なセットを発売しました。 1995 年、米国国防総省の高等研究計画局と海軍研究所は、ジョンズホプキンス大学、ペンシルベニア州立大学、MTS が開発した「チタン合金のフレキシブル製造技術」というプロジェクトに共同で資金を提供しました。その目的は、高出力 CO2 レーザーを使用して大型のチタン合金部品を製造することでした。このプロジェクトの研究成果に基づき、1997年にMTSはジョンズ・ホプキンス大学およびペンシルベニア州立大学と協力し、AeroMetを設立しました。堆積効率を向上させ、大型チタン合金部品を製造するために、AeroMetは14〜18kWの高出力CO2レーザーと3.0m×3.0m×1.2mの大型加工チャンバーを使用しています。Ti-6Al-4V合金の堆積速度は1〜2kg/hに達します。 AeroMetは、米国軍と米国三大軍用航空機メーカーであるボーイング、ロッキード・マーティン、グラマンの資金提供を受け、航空機胴体チタン合金構造部品のレーザー直接堆積技術の研究を行ってきました。レーザー直接堆積チタン合金構造部品の性能評価と技術標準策定を完了し、2002年には世界で初めてF/A-18などの航空機にTi-6Al-4Vチタン合金二次荷重支持部品のレーザー直接堆積の設置と応用を実現しました。

第15次5カ年計画以降、中国国家自然科学基金、国家863計画、国家973計画、総会前研究計画などの主要な国家科学研究計画の支援を受けて、北京航空航天大学、西北工科大学、航空工業大学北京校航空製造工学研究所など多くの国内研究機関がレーザー直接堆積プロセス、機械的特性制御、完全な設備開発、工学応用のキーテクノロジー研究開発などの研究を実施し、大きな進歩を遂げてきました。

C919大型旅客機の主翼胴体アセンブリの大型セクションの主要部品であるチタン合金製上部および下部翼端ストリップは、西安ポリライトレーザー成形技術有限公司が金属積層造形技術（3Dプリント）を使用して製造しています。最大サイズ3070mm、最大重量196kgの左上部翼端ストリップは、わずか25日で納品され、航空の主要部品の研究開発サイクルを大幅に短縮し、航空コア製造技術の新たな突破口となりました。

電子ビーム選択溶解法 電子ビーム選択溶解技術とは、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解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以上の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。

電子ビーム選択溶融技術の特徴は次のとおりです。
（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。

電子ビーム選択溶融技術は、1990 年代初頭にスウェーデンで誕生しました。スウェーデンの Chalmers University of Technology と Arcam Company が共同で電子ビーム溶融 (EBM) 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装置を独自に開発しました。現在、当社は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されています。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。

電子ビーム選択溶融技術は、航空機エンジンまたは小型ミサイルエンジンのマルチブレード、インテグラルブレード、ケーシング、ターボチャージャー、ラジエーター、航空機リブ構造、サポート、リフティングイヤー、フレームビーム、着陸装置構造の製造に使用できます。これらの共通の特徴は、構造が複雑で、従来の方法では処理が困難または不可能であることです。小さな部品しか処理できないという制限があります。現在、世界最大の電子ビーム選択溶解装置は、有効処理範囲φ350mm×380mmのArcam社製A2XX装置です。

清華大学は、国内で最初に関連研究を実施し、機器を開発した大学の一つです。近年では、中国科学院西北非鉄金属研究所、金属研究所、北京航空航天大学、北京愛国益成などの機関が、多孔質材料や医療用途などの分野を対象に、Arcam社製の装置を使用した研究を行っています。 2007年以来、航空支援および国防事前研究基金などのプロジェクトの支援を受けて、AVICの北京航空製造工学研究所は、航空用途のチタン合金およびTiAl合金の研究を行ってきました。当社は、電子ビーム精密スキャン技術、精密粉末敷設技術、データ処理ソフトウェアなどのコア機器技術を開発してきました。航空機構造の軽量化の要求に応えるため、チタン合金の機械的特性、空間格子構造の耐荷重特性や変形破壊挙動の研究に注力しています。現在は、複雑なチタン合金ジョイントや航空機用TiAlブレードの電子ビーム選択溶融製造技術の研究を行っています。

選択的レーザー溶融積層造形技術 レーザー選択溶融成形技術の原理は、電子ビーム選択溶融技術と似ています。部品の 3D モデルを、一定の方向に沿って一連の規則的なミクロンレベルの薄い層に離散化し、レーザーを熱源として使用して、金属粉末を層ごとに溶かし、部品を直接製造します。この技術は、軽量格子サンドイッチ構造、空間曲面多孔質構造、複雑な空洞流路構造など、従来の方法では加工できない任意形状の複雑な構造物の製造に使用できます。航空宇宙分野では、ロケットエンジンの燃料ノズル、航空機エンジンの過冷却ブレード、小型エンジンの一体型インペラ、軽量ジョイントなどの製造に使用できます。また、船舶、兵器、原子力、電子機器、医療用インプラントなど、さまざまな分野で使用でき、幅広い応用展望があります。電子ビーム選択溶融技術と比較すると、レーザー選択溶融は、使用する粉末のサイズが小さいため、寸法精度と表面品質が高くなります。

レーザー選択溶融積層造形技術は、レーザー選択焼結技術から開発されました。 1980年代以降、低融点非金属粉末の焼結、低融点コーティングされた高融点金属粉末の焼結、高融点金属粉末の直接溶融成形などの段階を経てきました。レーザー選択焼結は主にワックス型、砂型などの製造に使用され、精密鋳造用のモデルを提供します。このプロトタイプは表面が粗く、ゆるく多孔質であるため、使用する前に高温で再溶解するか、金属を浸透させて孔を埋める必要があります。レーザー技術の発展と高輝度ファイバーレーザーの登場により、金属レーザー選択溶融積層造形技術は国内外で飛躍的に発展しました。近年、英国、ドイツ、フランス、米国、スウェーデンなどの先進国では、GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4などの合金金属の複雑な構造に対するレーザー選択溶解成形装置が相次いで開発され、基礎応用研究が行われています。 RR、GE、P&W、MTU、ボーイング、EADS、エアバスなどの有名な海外の航空宇宙兵器・装備企業は、この技術を使用して商用金属部品を開発しています。

注意が必要な領域 積層造形技術は、従来の減算成形や強制成形とはまったく異なる概念を持ち、製造技術分野における新たな戦略的方向性へと急速に発展してきました。航空宇宙分野における金属部品の高エネルギービーム積層造形に関する研究と応用はますます広範囲に及んでいます。先進的な製造技術が発展すると同時に、構造設計思想の解放と改善も促進され、両者の相互推進は、将来の航空機製造技術分野に必然的に大きな影響を与えるでしょう。我が国の総合的な国力の発展に伴い、航空を含む国防兵器・装備の発展が徐々に加速しており、積層造形技術は急速な発展段階に入り、将来の応用展望は非常に広い。しかし、現時点では実際の応用は比較的少なく、まだ技術成長段階にあります。技術の応用と発展を促進するためには、以下の点に注意する必要があります。
（１）内部品質及び機械的性質の均一性、安定性及び信頼性。高エネルギービーム積層造形プロセスは材料の準備と部品の成形を一体化しているため、部品のサイズ、形状、配置、熱パラメータ、加工経路などが内部欠陥や組織の形成に重要な影響を及ぼします。各部品の成形プロセスには一定の特殊性があります。したがって、部品の性能の安定性を実現するためには、複数のバッチと多数のテストと評価を経て、材料から成形、後処理までの各技術リンクを決定し、固める必要があります。
（２）ユーザーと十分にコミュニケーションをとり、独自の標準を形成する。積層造形技術の実施プロセスは従来の製造技術とは異なります。積層造形技術で製造された部品の性能も、従来の鍛造品や鋳造品とは大きく異なります。積層造形技術は、従来の評価方法では十分に評価できません。コミュニケーションを通じて、ユーザーは積層造形技術の長所と短所を十分に理解し、製品の性能に対する具体的な要件を把握して的を絞って満たし、積層造形部品の品質評価基準を形成することができます。これは、積層造形技術の応用を促進する上で非常に重要です。
（３）費用と利益のバランスをとる。すべての部品が積層造形法に適しているわけではありません。応用技術を開発する際には、適切な応用対象を選択する必要があります。航空分野において、コスト、利益、サイクルなどの要素を考慮すると、高エネルギービーム積層造形技術を用いた加工に適した部品の種類としては、主に、複雑な形状の構造、特大の構造、急速な開発が必要な構造、コストを大幅に削減できる構造などが含まれます。
（上記の情報はGong Shuili氏から提供され、Aviation Manufacturing Technologyから入手しました）
上記金属積層造形技術の国内外の代表的な装置サプライヤーについては、3D Science Valleyが発行する以下の資料をご参照ください。
世界の金属 3D プリントを理解するための 1 枚の画像 - 2017 年版世界の金属 3D プリントを理解するための 1 枚の画像 - 2016 年版この記事の補足として、3D Science Valley の市場調査によると、近年、中国では武漢天宇や西安智栄など、金属線を原料とする加工技術の設備メーカーが増えています。
ブロックは未来志向である

積層造形の優れた柔軟性により、将来の航空機の設計は大幅に最適化され、よりバイオニックな機械構造を備えることができます。市場調査機関SmarTECHは、3Dプリンティング技術が航空宇宙製造技術の発展をどのように促進するかを4つの観点から調査しました。これらには、納期の短縮、部品の軽量化、生産コストと運用コストの削減、環境保護への貢献などが含まれます。

- 積層造形には、新しい部品やスペアパーツの製造にかかる納期を短縮できるという大きな利点があります。航空専門家は、従来の方法に比べて製造時間を80％短縮できると同時に、部品の性能も大幅に向上できると考えています。

- 将来的には、積層造形によって航空部品の現在の在庫状況が大きく変化する可能性があります。設計図をプリンターに入力するだけで、迅速に部品を製造できるため、航空部品の在庫が大幅に削減されます。

- 民間航空機の耐用年数は 30 年であり、航空機の元の機器の保守とサービスには多大な費用がかかります。エアバスによれば、付加製造技術により、部品のテストと交換は2週間以内に完了し、これらの部品は修理が必要な航空機の場所に迅速に輸送され、航空機の再離陸を支援するための時間と労力を節約できるという。

- さらに、航空機のメンテナンスが必要になった場合に備えて、大量のスペアパーツを保管する必要もありません。これらの大量のスペアパーツの製造も非常に高価であり、資源の無駄になります。もちろん、古いモデル、特にデータが失われたモデルの場合は、元の部品を保持しておく必要があります。

ブロックさらなるチャレンジ

技術的な側面に加えて、積層造形は今後 10 年間で航空宇宙産業において次のような多くの要求と課題を抱えることになります。

- 現在の航空機メーカーは積層造形装置を理解しておらず、装置をアップグレードするための要件を提示することが困難です。次のステップでは、航空機メーカーが積層造形装置の開発にさらに関与する必要があります。

- 積層造形装置メーカーは、エンジニアリング能力を向上させ、材料に関する専門知識を強化する必要があります。現在の積層造形装置メーカーには、高性能の航空宇宙部品を開発する能力と、高品質の追跡・制御装置を開発する能力が欠けています。積層造形装置メーカーは、装置の製造に限定するのではなく、積層造形および積層造形材料に関するシステムサービスプロバイダーになる能力を開発する必要があります。

- 積層造形装置メーカーはオープンソースの装置材料を必要としています。他の材料を受け入れることで競争は生じますが、柔軟性が向上することで航空宇宙メーカーはより多くのアプリケーションを開発できるようになります。デバイスの材料をオープンソース化することで、デバイス自体の市場での人気も高まります。

- ソフトウェア間の統合を強化する必要があります。現在、多くの断絶があり、完全な部品を製造するプロセスが困難になっており、業界のパフォーマンスに寄与していません。

- 制御システムを積層製造装置に統合する必要があります。現在、市場には積層造形プロセスを監視および追跡するための体系的なツールがほとんどないため、多数のテストピースが必要となり、高価な後処理が必要になります。 Sigma Labsは現在、そのようなシステムの開発に取り組んでいます。

主な内容は以下から引用：著者：Gong Shuili、AVIC 北京航空製造工学研究所出典：3D Science Valley

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