人民日報：張海欧教授の「マイクロ鋳造鍛造」3Dプリント航空機部品は世界をリードする

人民日報は2017年1月22日、華中科技大学の張海欧教授が開発した「インテリジェントマイクロ鋳造、鍛造、フライス加工複合製造技術」について最近報じた。南極熊によると、張教授はフランスのエアバスと技術協力の調印式を行ったばかりで、これはフランスと中国の先進製造分野における重要な協力である。 60代のこの男性は、妻の王桂蘭氏とともにチームを率いて、金属3Dプリントを悩ませてきた世界レベルの技術的問題の解決に14年を費やし、西洋を凌駕する我が国初の破壊的かつ独創的なマイクロ鋳造・鍛造技術の革新を達成した。

最近、エアバスだけでなく、米国のゼネラル・エレクトリックも自ら当社を訪問し、協力について協議しました。革新的な成果は航空業界の大手企業によって追求されており、我が国が3Dプリント技術において「追随」段階から「主導」段階に移行したことを示しています。

鋳造と鍛造の技術を融合し、欧米主導の製造業モデルを変える

華中科技大学では、張海欧と王桂蘭は伝説のような存在だ。 10年以上にわたりアーク灯を扱っており、「華中キュリー夫婦」と呼ばれています。実際、張海欧の科学研究の道は非常に紆余曲折がありました。彼は最初は鋼鉄の圧延研究に専念していました。しかし、「日本はこの技術の研究をほぼ完了している」という講師の言葉は、まるで平手打ちのようで、彼は唖然とした。熟考の末、彼は1987年に「他者から学ぶ」ために日本へ渡った。

王桂蘭さんは、日本での仕事の空き時間に最もよくやっていたことは、コース構成から最先端の技術に至るまでの情報収集だったと語った。「家に帰ると、書類は31個の大きな箱に詰まっていました。」

10年以上にわたる科学研究は、継続的な試行錯誤のプロセスでした。「未来をもたらすことができるのは革新だけです。他人の真似をしても、あまり展望は開けません。」 1998年、張海欧は華中科技大学に紹介され、そこで効率的で低コストの金型不要の急速製造技術の研究に専念しました。4年後、彼は金属3Dプリントに注力し始めました。

試行錯誤の後にイノベーションが生まれます。 2016年7月、張海欧のチームは金属鋳造と鍛造技術を創造的に組み合わせ、世界初の3Dプリント鍛造品の製造に成功し、3Dプリント鍛造品の等軸結晶粒、高密度均一性、高強度、高靭性、複雑な形状の金属鍛造品を実現しました。これにより、部品の強度、靭性、疲労寿命、信頼性が全面的に向上し、設備投資と原材料費が削減され、製造プロセスとサイクルが大幅に短縮され、従来の3Dプリントの高コストと長時間労働、耐久性のある材料をプリントできないという世界的な問題が全面的に解決されました。

専門家は、この技術は、長らく西側が主導してきた「鋳造、鍛造、フライス加工の分離」という伝統的な製造の歴史を変え、大型機械の実験室製造の歴史を切り開くだろうと述べた。

従来の技術的困難を克服し、金属3Dプリント製品をハイエンドアプリケーションに推進

最近、華中科技大学デジタル製造設備・技術国家重点実験室の実験基地で、張海欧氏のチームは航空分野で使われる高級金属鍛造品の生産を強化している。現在、「インテリジェントマイクロ鋳造鍛造」によって印刷された高性能金属鍛造品は、長さ2.2メートル、重さ約260キログラムに達しています。既存の設備では、航空機用チタン合金、深海潜水艇、原子力用鋼など8種類の金属材料を印刷しており、大規模で信頼性の高い金属鍛造品を印刷できる世界で唯一の積層造形技術設備です。

従来の機械製造では、鋳造金属材料をそのまま高性能部品に加工することができず、成形問題を解決するには、鍛造によって内部構造を変換する必要があることが報告されています。しかし、超大型鍛造機への過度の依存は、機械製造への多額の投資、高コスト、長い生産工程、高エネルギー消費、深刻な汚染と廃棄物を招いています。そのため、金属3Dプリント技術は、上記のような問題を解決できるため、最先端の高度製造技術となっています。世界的な科学技術革命と産業革命の新たなラウンドの重要な原動力として、航空宇宙、医療、自動車などの分野で広く使用され始めています。

「従来の金属3Dプリントには致命的な欠陥があります。第一に、鍛造を行わないため、金属の耐疲労性が著しく不十分です。第二に、部品の性能が高くなく、緩み、気孔、未融合部分などの欠陥が避けられません。第三に、そのほとんどはレーザーと電子ビームを熱源として使用しており、これらは高価です。そのため、金属は見た目は良いが実用的ではないという恥ずかしい状況になっています。」張海欧氏は、このため、世界の金属3Dプリント業界は「模型製造」と展示の段階にあり、ハイエンドのアプリケーションに参入できないと紹介しました。

2016年7月、張海欧氏のチームはマイクロ鋳造・鍛造同期複合設備を開発し、鉄道の主要部品フロッグと航空機エンジンの重要部品のトランジション鍛造品という世界初の鍛造品を印刷しました。専門家によると、この新工法で製造された部品の強度、可塑性、均一性は、自由付加成形よりも大幅に高く、鍛造品のレベルをも超えている。この工法は、わが国に、航空宇宙産業の高性能主要部品の製造において、高効率、短工程、低コスト、グリーン、インテリジェント製造のユニークで国際的にも先進的な技術サポートを提供するだろう。

「3Dプリント金属部品の従来のプロセスは、プリント、鋳造、鍛造です。この3つは別々に、そして順番に実行する必要があります。つまり、次のステップは前のステップが完了してからのみ実行でき、その間に金属を冷却するための時間を置く必要があります。」張海欧氏は、インテリジェントなマイクロ鋳造と鍛造の技術は、上記のステップを同時に実行できることを紹介しました。印刷が完了すると、鋳造と鍛造も同時に完了します。

「8万トンの力を8万分の1、つまり1トン以下にまで減らしました。同時に、これまでは多数の大型装置を必要としていた作業を1台の装置で完了できるようになりました。環境に優しく、効率的です」と氏は語った。

「追随」から「主導」へ、先進的な製造業に大きな技術的変化をもたらす

張海欧氏は、我が国の3Dプリント産業は常に「後続」段階にあり、先進国と比較すると、我が国の3Dプリント産業は主に科学研究レベルにとどまっていると紹介した。「他人に従う」という恥ずかしさから抜け出すには、革新が必要です。彼の革新的な精神は、彼の研究の方向性のいたるところに反映されています。

「当時、国内外の金属3Dプリントでは、主にレーザーと電子ビームを熱源として使用していました。コストを削減したかったので、プラズマビームを熱源として選択し、非常に効率的であることがわかりました。」張海欧氏は、プラズマとレーザーはどちらも高エネルギービームを介して熱源として使用され、金属粉末を溶かして金型を製造しますが、発生装置と処理方法が異なります。プラズマは、コストが低く、成形速度が高いという利点があります。

10年以上前、金属3Dプリントで作られた製品は非常に粗く、後加工した後にのみ部品として使用でき、複雑な部品を印刷することはほとんど不可能でした。張海欧氏はチームを率いて実験を重ね、金属3Dプリントにフライス加工工程を加え、プリントしながら機械加工を行うことでこの難題を克服し、国家発明特許を取得した。

鋳造と鍛造の組み合わせを選択することは、より大きな革新です。「夫が最初に私に『鋳造、鍛造、フライス加工の統合』というアイデアを提案したとき、私はそれが空想だと思って、私たちはそれについて激しい議論を交わしました。」王桂蘭氏は、夫婦の議論の中でイノベーションが生まれることが何度もあったと語った。

実験と試行錯誤を繰り返し、研究の方向性が明確になっていきました。 2010 年、大型航空機外板用のホットプレス金型の誕生により、金属 3D プリントによる複合鍛造の実現可能性が実証されました。

鋳造と鍛造を一体化した3Dプリント技術の発表後、海外の航空業界の大手企業が協力について話し合うようになった。報道によると、米国のゼネラルモーターズは最近巨額の資金を投じてドイツとスウェーデンの3Dプリント企業2社を買収したが、依然として鍛造性能が求められる多くの大型・中型荷重支持部品を扱えていない。張海欧チームの研究成果は、この欠点を補うことができる。

北京理工大学の陳紀民教授は、張海欧氏が発明した技術は、航空宇宙、原子力、船舶、高速鉄道などの重要な柱となる分野で幅広い応用の見通しがあると考えている。例えば、航空エンジンの長寿命で信頼性の高い主要部品の製造に大きな利点がある。

わが国で開発された新型戦闘機では、張海欧氏のチームと協力して、新型の複合チタン合金ジョイントの製造も始まっています。この技術を使用して印刷されたチタン合金の引張強度、降伏強度、可塑性、衝撃靭性はすべて、従来の鍛造品を上回っています。

現在、この技術は西安航空機動力公司、西安航空機製造公司などの新製品開発に応用されており、高温合金二重ねじれインペラ、アルミニウムシリコン合金ホットプレスポンプ本体、エンジントランジションセクションなどの部品、大型航空機スキンホットプレス双曲面金型、自動車フェンダープレスFGM金型などを試作しており、幅広い応用展望を持っています。

現在、張海欧氏のチームはエアバスの航空機部品の需要に基づいて研究開発を行っている。「当社が認知され続ければ、エアバスから部品生産の注文を獲得できるだろうし、さらに多くの国際民間航空大手の支持も得られるかもしれない」と張海欧氏は語った。

出典：人民日報

【拡張読書】
華中科技大学は金属3Dプリントとマイクロ鋳造・鍛造を同期させている。ゼネラル・エレクトリックやエアバスなどの航空機メーカーも獲得を急いでいるのだろうか？

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