Lu Binheng: 航空宇宙分野における 3D プリントの機会と課題

陸炳恒氏は我が国の機械製造と自動化の分野で著名な科学者です。現在、中国工程院の院士、西安交通大学の教授および博士課程の指導者、国家ラピッド製造工学研究センターの所長、国務院機械分野評価グループの議長、中国機械工学学会の副会長、中国機械製造技術協会の副会長、国立大学金属切削工作機械学会の会長を務めています。

陸炳恒氏は主にラピッドプロトタイピング、マイクロナノ製造、バイオ製造、高速切削工作機械などの研究に従事しており、20件以上の国家重点科学技術研究プロジェクトを主宰してきました。国家科学技術進歩賞二等賞、国家技術発明賞二等賞、「中国傑出した貢献をした博士号取得者」の称号、国家五一労働勲章などの賞を受賞。

破壊的技術「3Dプリントはまったく新しい技術であり、発展の余地はまだ大きい」。呂炳衡院士は、積層造形はここ30年で発展したばかりであるのに対し、私たちがよく知っている鋳造、鍛造、溶接には3000年の歴史があり、切削加工にも300年以上の歴史があると紹介した。 2013年のマッキンゼーの調査レポートによると、3Dプリンティングは、将来人々の生産組織モデルと社会生活に影響を与える12の主要な破壊的技術の中で、新素材やシェールガスを上回り、9位にランクされています。2030年までに、3Dプリンティングの利益は0.6〜1.2兆米ドルに達するでしょう。この予測は後に前倒しされ、3D プリンティングは 2025 年までに最大 5,500 億ドルの利益を生み出す可能性があると予測されました。議会で提案された米国の「製造業活性化計画」のスローガンは「米国で発明され、米国で製造される」。製品開発を半分のサイクルと半分のコストで完了するという指標を提案した。この目標を達成するために、専門家は 3D プリントがこの指標を促進する効果的な手段であると提案しています。陸炳衡氏は、3Dプリントは急速な技術発展期にあると考えている。過去2、3年で中国では多くの大きな革新があり、非金属製造の効率は数十倍、金属製造の効率は10倍近く向上した。同時に、3Dプリントも産業発展の初期段階にあり、多くの企業がこの分野に参入しており、一般的に3Dプリントは探索する価値のある金鉱であると考えている。

Lu Binheng 氏の見解では、3D プリントは製品開発のための強力なツールであり、最初の製品を作るのに非常に役立ちます。「以前、試作を行っていたとき、最も困難だったのは試作品を作ることでした。新型航空機の研究開発サイクルは10年から20年かかります。3Dプリントを使用すると、最初の部品を作るために必要な特別なツール、工具、金型などを避けることができるため、プロセスフローが大幅に簡素化され、組み立て、テスト、検証のための最初の部品をすばやく作ることができます。」Lu Bingheng氏は例を挙げました。飛行機の典型的な構造部品のほとんどは、フレーム、ビーム、ラック、桁です。これらは非常に長く、面積も大きいですが、実際に必要な材料はそれほど多くありません。設計では、最高の強度と剛性を実現するために、最小限の材料を使用する必要があります。 3Dプリントは、上記構造の理想的な誘導方法であり、構造部品が大きなスペースを占め、形状が複雑であるという問題を克服できます。切断時に、材料の95％〜97％が切断されます。また、切断時の変形が非常に大きく、加工に使用する工作機械の製造難易度が非常に高くなります。「この観点から見ると、3Dプリンティングは航空宇宙分野における破壊的技術です」とLu Bingheng氏は考えています。航空宇宙産業は加工が難しい材料に直面しています。その複雑な構造、加工変形の制御、研究開発サイクル、コストは、従来の製造業にとって大きな課題となっています。3D プリントは、これらの問題をまったく新しい方法で解決できます。例えば、チタン合金を切削するのは難しいのですが、3Dプリントの場合は問題を見る視点が変わり、最も簡単な成形方法になりました。 3D プリントにより、材料利用率を当初の 3% ～ 5% から 80% ～ 90% まで高めることができます。さらに、3D プリントは完全にパーソナライズできるため、航空宇宙産業における多品種、小ロット、大規模で複雑な構造物の製造に非常に適しています。

すでに多くの良い例がある。Lu Binheng氏は次のように紹介した。「バージニア大学の学生2人が3Dプリント技術を使って模型飛行機を作り、試験飛行に成功した。かかった期間はわずか4か月で、費用はわずか2,000ドルだった。わずか5年前、このようなプラスチック製ターボファンエンジンを作るのに約25万ドルの費用がかかり、2年かかっていた。」

美しいが完璧ではない「3Dプリントはとても美しいが、まだ多くの徹底的な研究を行う必要がある」とLu Bingheng氏は率直に語った。例えば、航空分野で使用される場合、構造部品には優れた疲労性能が求められますが、これは業界の多くの人々からも提起される疑問でもあります。理論的には、3D プリントは優れた組織構造を実現できます。たとえば、航空機エンジンのブレードがよく作られている理由は、温度勾配が非常に高いため、粒子が非常に細かいためだと想像してください。エンジンブレードの温度勾配（1センチメートルあたり数十度）と比較すると、3Dプリントの温度勾配は1ミリメートルあたり数千度です。このような高い温度勾配の下では、3Dプリントによって生成される粒子は非常に細かくなければなりません。もちろん、3D プリントは少しずつ行われ、どこかの時点で問題があれば欠陥になると考え、安心していない人もいます。陸炳衡氏は、そのような配慮は必要だと断言しつつも、「実際、マクロ製造においては、鋳造における介在物や気孔などの欠陥と同様に、微細不純物の混入は避けられません。鋳造後も、鋳造後は形状が変わるだけです。気孔の体積は少し縮み、形状も少し変わりますが、それでも存在します。3Dプリントは、一点で一時的な高温と一時的な急激な冷却を形成します。欠陥に許容される体積は非常に小さいため、最も信頼性が高いと言えます」と信じている。もちろん、この信頼性を達成するには、あらゆる点でのプロセス条件を非常によく制御する必要があるとも、陸炳衡氏は述べた。しかし実際には、3D プリントでは、レーザースキャンにも慣性質量があり、光点エネルギーの分布が不均一なため、温度場が不均一になり、内部応力が生じる可能性があります。「これは従来の凝固法では解決できない問題です。3Dプリントにおける過渡熱プロセスとその強い非平衡メカニズムについて、徹底的な研究を行う必要があります。」Lu Bingheng氏は率直にこう語った。「私たちの欠点の多くはまだ基礎研究の段階にあります。これらの困難を克服しなければ、3Dプリントされた航空部品が疲労試験に耐えられるかどうかについて、依然として疑問が残ります。」

さらに、Lu Binheng 氏は、基準の欠如も問題であると考えています。航空、特に民間航空で使用される 3D プリント構造部品は、耐空性条件を満たす必要があります。これには、関連する基準を確立するために多数の実験が必要であり、この点に関して、我が国は関連する作業を積極的に実施しています。
「3Dプリンティングは、私たちの材料にも技術革命をもたらしました。」Lu Bingheng氏は、3Dプリンティングによって材料が増分型から付加型に移行できるようになったと紹介した。単一材料の製造は増分製造と呼ばれ、3D プリントの利点の 1 つは、異なる材料を一緒に印刷して機能的なグラデーション構造を作成できることです。これにより、イノベーションのための大きなスペースが開かれ、最も効果的な材料を設計できるようになります。例えば、表面は最も耐摩耗性と耐腐食性に優れた素材で、内部は最も強度と剛性に優れた素材です。異なる素材を組み合わせるのが、まさに積層造形です。付加的なものから創造的なものまで、さらに想像してみてください。米航空宇宙局（NASA）は、ドラゴン2号宇宙船のエンジン部品を作るために、3315℃の高温に耐えられる合金を作り、エンジンのパワーを大幅に向上させた。これにヒントを得て、3D プリンティングは、マテリアルゲノムプロジェクト研究のソリューションを検証し、超高強度、超高温耐性、超靭性、超高耐湿性など、さまざまな用途の新しい合金材料を作成するために使用される可能性があります。

つまり、3Dプリントは製造業における主要な共通技術であり、迅速な製品開発をサポートし、革新的な製品の構造設計をサポートし、製造モデルの革新をサポートし、形状制御製造から制御製造へ、増分製造から付加製造へ、付加製造から創造製造へ、創造製造から創造へと製造業を移行させることができます。
産業生態系には無限の可能性があります。現在、3Dプリントの分野では、わが国の国内設備売上高は基本的に世界第5位、導入アプリケーションは第3位、特許論文数は第2位です。しかし、産業規模が小さい、コア技術と標準が不足している、各レベルの人材が不足しているなど、依然として多くの弱点があります。

「この産業を拡大し、特に航空宇宙などの重要な産業が3Dプリンティングの恩恵を受けられるようにすることが私たちの責任です。」この目的のために、Lu Bingheng氏は我が国の付加製造産業の予測について語りました。 10年間（2015年～2025年）で直接生産額は1000億元に達し、製造業の普及効果は6000億～1兆元に達すると計画されている。これにより、印刷材料の基本的な供給、高価値部品の現地化が実現し、3D プリントは製品設計や日用品のパーソナライズ製造に大きな影響を与え、航空宇宙分野での複雑な部品の小ロット製造の手段となるでしょう。「2035年までに、我々は第一段階に入り、付加製造産業の規模は世界第2位になり、設備の研究開発と生産、適用材料、最先端の分野への応用において米国と同等になるでしょう。」陸炳衡氏はこれに自信に満ちている。彼は、近い将来、3Dプリントは概念的な三者競争から価値を共有する三位一体へと移行すると予測しています。3Dプリントは大量生産の面では金型製造や切削加工ほど大きくないかもしれませんが、ハイエンド製品を生産することができ、総価値の面では確実に一定の市場を占めるでしょう。

出典：中国航空ニュース

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