積層造形（3Dプリンティング）技術標準制度の現状と考え方

近年、積層造形技術は急速に発展しており、特に2012年以降、積層造形技術の世界的ブームが巻き起こっています。各種の積層造形技術と設備が徐々に改善され、エンジニアリングの応用範囲も徐々に広がり、航空、宇宙、医療、自動車、機械、化学、エネルギー、芸術など多くの分野をカバーしています。製造可能な材料は、非金属、チタン合金、アルミニウム合金、鋼、金属間化合物から高温合金、さらにはセラミック材料や複合材料にまで及びます。積層造形産業の急速な発展に伴い、産業および技術の発展における標準化の問題がますます顕著になり、積層造形産業のさらなる発展を深刻に制限しています。本稿では、国内外の積層造形技術の標準体系を重点的に分析し、積層造形技術の特徴を踏まえて、国内の積層造形技術の標準体系を予備的に計画し、積層造形産業の健全で持続可能かつ安定した発展に標準化されたサポートを提供する。

付加製造技術の概要

積層造形と 3D プリンティングの定義は一貫していますか? 2015 年、国際標準化機構 (ISO) と ASTM は共同で ISO/ASTM (積層造形に関する技術用語) 規格を発表しました。この規格では、積層造形とは、減算造形や等材料造形とは対照的に、3 次元モデルデータに基づいて材料を層ごとに積み重ねて部品や物理的物体を製造するプロセスであると明確に規定されています。3D 印刷とは、プリントヘッド、ノズル、またはその他の印刷技術を使用して材料を沈殿させることで物理的物体を製造するプロセスです。通常、非技術分野では、3D 印刷は積層造形の同義語として使用されます。定義から、単純な積み重ねと堆積によって物理的なオブジェクトを製造するプロセスは 3D プリントと呼ばれていることがわかります。最終製品にさまざまな性能要件 (光、電気、力、熱、音などを含む) がある場合、対応するプロセスは積層製造と呼ばれます。

現在、積層造形技術製品のハイエンド機器分野は主に航空宇宙分野にあります。米国のボーイング777および787民間航空機、およびF-15、F-18、F-22軍用航空機の開発と製造の過程で、約10種類の製品と200を超える部品に積層造形技術が使用されました。エアバスは、ストラタシスの積層造形システムを使用して 1,000 を超える航空機部品の製造に成功しました。これらの付加製造部品は、2014 年末に納入されたエアバスの新型 A350 XWB ワイドボディ機に使用されています。 GEは2013年末、金属選択溶融技術を使用して次世代GE Leapエンジンのノズルを生産すると発表しました。年間生産量は4,000個に達し、生産サイクルは2/3に短縮され、生産コストは50％削減され、信頼性が大幅に向上します。中国では、積層造形技術は以前は主に軍用機に使用されていましたが、2012年以降は爆発的な発展を見せています。応用部品は徐々に二次荷重支持部品や主荷重支持部品に移行し、応用数は数個から数十個に急増し、「ファン機」という称号も生まれました。一方、民間航空機開発の面では、COMACは現在、C919航空機モデルの開発において、積層造形技術を使用して部品を製造しています。代表的な大型部品はC919の天窓フレームと中央翼縁ストリップで、高精度が求められる小型の積層造形部品は主にガイド溝、ロッカーアーム、その他のドア構造に使用されています。

国内外における積層造形技術標準化の現状

海外における積層造形標準化活動の発展は、時間的に大まかに2つの段階に分けられます。

第一段階では、2002年に米国自動車技術会（SAE）が積層造形分野における最初の規格であるAMS 4999「焼鈍Ti-6AI-4Vチタン合金レーザー堆積製品」を発表し、積層造形標準化作業の始まりを告げました。この規格は2011年9月に改訂され、AMS 4999A「焼鈍Ti-6AL-4Vチタン合金直接堆積製品」に名称が変更されました。使用される高エネルギービームの種類は指定されておらず、最終部品の性能指標の要件のみが提示され、既存のテスト技術を組み合わせて、対応する推奨テスト指標が提案されています。この規格は、Ti6AI-4V 積層造形における原材料、前処理、製造プロセス、後処理、検査および試験の要件と方法を規定しています。この材料は国内の TC4 チタン合金に相当し、エネルギー直接堆積部品の受け入れに適しています。

第 2 段階は 2008 年に始まり、この時期には積層造形の標準化が正式に急速な発展段階に入った時期でもありました。米国材料試験協会 (ASTM) が関連作業を開始し、2009 年に ASTM 国際標準化機構が F42 積層造形技術委員会を設立しました。 F42 には 8 つのサブ技術委員会があります。現在、11 の規格が発行され、11 の規格が開発中です。これらは主に、F42 01 試験方法、F42 04 設計、F42 05 材料とプロセス、および F42 91 用語の 4 つのサブ技術委員会によって起草および発行されています。現在、F42 05 は主に、粉末床溶融結合（SLS および SLM に相当）技術を使用したチタン合金、ニッケル基合金、プラスチック部品の対応規格を開発しています。この規格では、原材料、前処理、製造プロセス中の品質管理、後処理、関連プロセスの検査およびテストの要件と方法が規定されており、粉末床溶融結合部品の受け入れに適用されます。

2011年、ISOは積層造形標準化技術委員会TC261も設立しました。同年、ASTM F42と協力協定を締結し、積層造形技術分野での標準化作業を共同で実施しました。2013年と2015年には、用語定義、座標系定義、積層造形データフォーマット（AMF）などの標準化を定めた3つのISO/ASTM規格を共同で発行しました。

欧州では、EUが積層造形の標準化を積極的に支援しており、EU第7次フレームワークプログラムの支援を受けてSASAMというプロジェクトが開始されました。 SASAM 積層造形標準化グループは、ISO、ASTM、CEN と連携し、2015 年 6 月に 2015 年積層造形標準化ロードマップを発表しました。このロードマップでは、積層造形標準化ロードマップの詳細な紹介に加えて、ヨーロッパにおける積層造形の現在の利点と欠点、および現在の開発で克服する必要がある問題についても説明しています。

2016年4月21日、我が国は、国際標準化機構ISO TC 216に相当し、国家レベルで積層造形技術の標準化作業を行う国家積層造形標準化技術委員会（TC562）の設立会議を開催しました。現在、この技術委員会では、付加製造の技術用語、ファイル形式、プロセス、材料の分類などの側面をカバーする 6 つの標準が開発されています。中国航天統合技術研究所は、国内のハイエンド設備分野として、2007年から積層造形技術の標準化の研究を開始し、北京航空航天大学の王華明院士チームと協力して、一連の積層造形技術標準の研究と形成に取り組み、業界標準の確立と策定を積極的に推進してきました。現在、レーザー直接堆積プロセス、粉末、チタン合金部品の部品仕様など、5つの業界標準の策定を行っています。

積層造形技術標準システムに関する考察

積層造形技術標準システムの構築は、3つの側面を指針として計画されなければなりません。

1. 目標指向：産業発展の規制、技術進歩の促進、専門的交流の促進という3つの目標を指針とし、包括的な標準化の理念に基づいて標準システムを確立する必要があります。

2. システム分析では、産業チェーン全体、バリューチェーン全体、技術システム全体の次元から分析を行い、産業の発展と技術の進歩のニーズを満たす包括的な標準システムを形成する必要があります。

3. 全体最適化、業界全体の最適な構成を追求し、上流、中流、下流の標準化ニーズを調整し、重複、不一致などの問題を回避するための合理的で統一された計画を立てます。

したがって、積層造形技術分野における標準システムの確立は、技術的側面、保証的側面、応用分野的側面の 3 つの側面から検討する必要があります。技術的側面は、積層造形技術の中核部分であり、主に積層造形技術の一般的なプロセス要件に基づいており、設備、設計、材料、プロセスなどに分かれています。セキュリティ次元は、積層造形技術の基本的な保証であり、主に積層造形技術のライフサイクル全体のセキュリティ技術ニーズから始まり、各リンク、段階、物の種類、人員ごとに基本的な標準、テスト、認証、基本的なデータ形式などを確立します。応用分野の次元は、航空宇宙、航空、自動車、医療、教育など、さまざまな分野における積層造形技術製品の応用のさまざまな要件と特性に応じて分割されています。このように計画された積層造形技術標準システムを次の図に示します。

図の各セルは、異なる数とレベルの複数の標準で構成されています。セル間で基準が重複している可能性があります。重複部分が多く、各分野の要件が同一または類似している場合は、国家レベルで統一して国家標準を形成することができます。セル内標準に明らかな業界特性がある場合 (たとえば、航空製品テスト中の疲労性能の要件)、そのような標準は業界標準として策定する必要があります。セル内標準に明らかな技術的排他性があり (たとえば、航空部品の特定の付加製造プロセス標準)、企業内での実装にのみ適している場合、その標準は企業レベルの標準として策定する必要があります。

つまり、積層造形標準システムを確立するには、標準が連携して効率的に機能することを保証するために、国家レベルおよび業界レベルでのトップレベルの設計と包括的な計画が必要です。

出典：AVIC総合研究所李小飛さらに読む：
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