解釈 - 3D プリントが原子力産業に参入

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-11-23 15:51 に最後に編集されました。

以前Antarctic Bearが報じたように、わが国は最近、原子力分野における3Dプリント技術の応用で新たな大きな進歩を遂げました。中国原子力研究開発研究所は、Southern Additive Technology Co., Ltd.と協力し、独自に開発した重金属部品の電気溶融積層造形（3Dプリント）技術を通じて、ACP100原子炉圧力容器シリンダーサンプルの製造に成功しました。今年9月には中国原子力産業協会主催の原子力産業における3Dプリント技術の応用に関する技術交流会が四川省で開催されたとみられる。会議では、3Dプリント技術の専門家、中国核工業集団と中国広核集団の3Dプリント研究部門、国内外の有名メーカーが、原子力エネルギーの研究、設計、加工、製造における3Dプリント技術の応用ニーズと成功事例を共有し、議論しました。

2015年、国務院の戦略的新興産業の発展に関する意思決定と展開を実行し、新たな科学技術革命と産業変革の大きなチャンスを捉え、わが国の3Dプリント産業の健全で秩序ある発展を加速するために、工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部は「国家付加製造産業発展促進計画（2015-2016年）」を検討し、策定しました。計画に掲げられた目標によれば、2016年までに、比較的完成度の高い付加製造産業システムが初歩的に確立され、全体的な技術レベルが国際レベルと同期され、航空宇宙などの直接製造分野が国際先進レベルに達し、国際市場で大きな市場シェアを占めることになる。

3Dプリントの利点<br /> 従来の処理方法と比較すると、3D プリントにはいくつかの面で明らかな利点があります。

1. デジタル製造：CADなどのソフトウェアを使用して製品構造をデジタル化し、機械設備を駆動してデバイスの処理と製造を行います。デジタルファイルはインターネット経由で送信することもでき、分散型の製造生産モデルを実現します。

2. 次元削減製造は、「階層化製造、レイヤーバイレイヤー」とも呼ばれ、3 次元構造オブジェクトを最初に 2 次元の階層構造に分解し、次にレイヤーバイレイヤーを積み重ねて 3 次元オブジェクトを形成します。したがって、原理的には、3D プリント技術は、従来のプロセスでは完成が難しい複雑な構造を生成でき、製造プロセスはより柔軟になります。

3. 直接製造: 構造が複雑で、処理工程が多く、部品を分離して再度組み立てる必要がある部品の場合、3D プリントにより 1 回で処理を完了できます。

4. 迅速な製造: 3D プリントの製造プロセスは短く、完全に自動化されており、現場で製造できるため、製造がより迅速かつ効率的になります。

開発されている3Dプリント技術は数多くあり、命名方法も異なります。材質的にはプラスチックや金属などがあり、エネルギー形態的には主にレーザーや電子ビームなどがあり、物質形態的には主に粉末やワイヤーなどがある。近年、3Dプリンティングは技術、設備、材料の面で急速に発展しており、主な応用分野は金型製造（自動車）、ハイエンド部品（航空部品）、製品設計（Apple携帯電話などの電子消費財）、ヘルスケア（歯科、義肢、骨）などです。主な特徴は、コストがかからない設計産業、最先端の製造、1対1のパーソナライズされたサービスです。自動車産業は最大の応用規模を持ち、2014年の統計によると、応用市場全体の31.7％を占めています。

3Dプリンティングは原子力産業にも導入されているが、消費者部門よりも多くの問題に直面している。一方、発電所、原子炉、核燃料集合体など、その部品のほとんどは金属で作られています。金属は比較的融点が高いため、3Dプリントには固体と液体の相変化、表面拡散、熱伝導など、さまざまな物理的プロセスが伴います。また、生成された結晶構造が良好かどうか、試料全体が均一かどうか、内部の不純物や気孔の大きさ、急速な加熱と冷却によって生じる応力などを考慮する必要があります。一方、原子力分野では、部品の動作条件が比較的複雑で、メンテナンスが不便であり、信頼性の要件が非常に高く、さらに、一部の部品では放射線性能の問題も考慮する必要があります。そのため、3D プリントのような新しいものに直面したとき、ほとんどの人は依然として保守的な態度を維持しています。

しかし、いずれにせよ、高速かつ柔軟な特性を持つ3Dプリントは、最終的には切削加工をある程度置き換え、欠かせない加工方法の1つになるでしょう。原子力産業において、最も応用の見込みがある3Dプリンティング技術は、同期粉末供給レーザー立体成形（LSF）、電子ビーム溶融堆積成形技術（EBF3）などであり、大型荷重支持構造成形技術に適しており、レーザー選択溶融技術（SLM）、電子ビーム選択溶融技術（EBM）などは、小型精密部品の成形技術に適しています。研究が進むにつれて、より成熟した技術がエンジニアリングの実践に応用されるようになるでしょう。

原子力産業の3Dプリントへの道

では、原子力産業における 3D プリンティングの進むべき道とはどのようなものでしょうか?申請は少なくとも 3 つの段階を経ます。

第一段階は「形が似ている」です。これは基本的に、現在すべての業界が 3D プリントを使用する際に取っている道であり、まず無から何かを作成するという問題を解決して、既存の部品と外観やサイズが類似した部品または部品の組み合わせを印刷します。この段階では、3D プリントに使用される材料は、現在市場で入手可能な粉末またはフィラメントです。現在、国内の主要核燃料工場はすでに第一歩を踏み出している。例えば、中国核集団北方核燃料要素有限公司はCAP1400燃料集合体の管ソケットサンプルの印刷を完了しており、中国核集団建中核燃料要素有限公司はCF3燃料集合体の下部管ソケットサンプルとニッケル基合金グリッドサンプルの印刷に成功している。

3D プリントは、デザイン機関にとっても非常に強力な助けとなります。新しい原子炉タイプや新しい燃料要素は、設計から完成まで一連の実証および検証プロセスを経る必要があり、場合によってはテスト用のモデルを作成する必要があります。燃料集合体を例に挙げてみましょう。主要コンポーネントの多くの新しい設計や改良には、テストピースの処理と、熱、水力、その他の関連テストの実施が必要です。現状では、原子力発電所では設計要求に従って生産ラインで試作を行っています。試作プロセスでは、生産ラインに設備や人員などを配置する必要があり、特殊な設備や工具を開発する必要もあります。開発サイクルが長いだけでなく、コストも非常に高くなります。 3D プリントを使用して処理すると、テスト結果を低コストかつ短時間で取得できるため、時間と労力を節約でき、修正も容易になります。

第二段階は「精神的には同様」です。つまり、以前の印刷テストに基づいて、慎重かつ徹底的な性能分析を通じて、印刷された部品の機械的特性、微細構造、応力状態、欠陥、さらには放射線性能まで把握します。これらの特性が設計技術条件の要件を満たすことができれば、3D プリント部品は実用段階に入ることができます。この実際のアプリケーションは、必然的に、単純なものから複雑なものへ、補助的なコンポーネントから重要なコンポーネントへ、そして山の外側から内側へと進むプロセスを経ることになります。今年9月、CGNが3Dプリント技術を利用して原子力発電所の複雑な流量計バルブ本体を製造することに成功し、その化学成分と基本的な機械特性が国際原子力標準RCC-Mの要求を満たしていることを確認したと報じられた。この部品の工学的応用は、原子力分野における金属3Dプリント製造部品の応用において「ゼロ」の突破口となるだろう。

現段階では、通常の冶金粉末などの材料の使用では要求を満たすことができない可能性があり、原子力産業の特性に基づいて、原子力産業3Dプリント用の特殊な粉末またはワイヤを開発し、それらの物理的および化学的性質を最適化し、原材料の供給源の問題を根本的に解決する必要があります。

第三段階は、3Dプリントのエンジニアリング設計と応用を完全な意味で実現することです。

現在、3Dプリンティングが直面している最大の問題は、これらのプリント部品には生産基準、品質検査基準、安全認証がなく、「3つの無」製品となっていることです。
3D プリンティングを開発するには、標準化のサポートと主導的な役割に頼る必要があります。現在、3D プリントの標準システムの確立はまだ初期段階にあります。 2014年、わが国は正式に国際標準化機構ISO/TC 261積層造形技術委員会の会員となり、今年は国家積層造形標準化技術委員会（SAC/TC 562）を設立し、3Dプリントの標準化作業を本格的に開始しました。今年9月、中国原子力協会情報技術専門委員会の主催により、中国国家原子力建設核燃料部品有限公司で、原子力産業における3Dプリント技術の応用に関する技術交流会が開催されました。同時に、3Dプリント標準システムの組織が設立され、原子力産業の3Dプリント標準システムの企画作業が正式に開始されました。

完全な標準システムは、設計、製造、検査、試験、運用、保守の全プロセスを網羅する必要があります。特に、品質と技術の評価システムは、設計の基礎、検査の基準、試験の仕様、評価の基準を備え、原子力分野における3Dプリントの応用が安定して堅固なものとなるよう、包括的かつ科学的である必要があります。この段階では、原子力産業は、既存の設計を実装するために 3D プリントを使用するだけでは満足せず、3D プリントの特性に基づいてプロセス全体を適応させることになります。

アンタークティックベアは、3Dプリントは良い薬だが、すべての病気を治すことはできないと考えており、伝統的な製造業の変革とアップグレードと組み合わせることで、より大きな生活空間を確保できるとしている。

出典: 中国原子力産業ニュース詳細:

3Dプリントが原子力分野に参入、CGN初の金属3Dプリントバルブボディが誕生、わが国初の原子炉圧力容器3Dプリント試験片が発売

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