国内3Dプリント業界の5大科学研究力は「5つの柱」

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-7-11 16:32 に最後に編集されました。

3Dプリントはハイエンド製造技術のリーダーとして業界から高く評価されており、太陽光発電業界の過ちを繰り返さないために、国も関連政策を導入し、客観的かつ科学的に計画と配置を行い、技術の合理的な発展をリードしています。
現在、3D プリンティングはまだ研究段階にあり、大規模な産業応用にはまだ長い道のりがあります。 3D プリンティングの科学研究コミュニティにおける最古の 5 つの派閥のうち、混乱の時代に他を凌駕して主導権を握ることができるのはどれでしょうか? Antarctic Bear に倣って、国内の 3D プリント業界における 5 つの主要な科学研究力に注目してみましょう。

1. 清華大学のヤン・ヨンニアン氏のチーム<br /> ヤン・ヨンニアン教授は「中国No.1 3Dプリンター」として知られ、現在は清華大学機械工学部機械電子研究所所長、中国機械工学会ラピッドプロトタイピング技術委員会委員長を務めています。彼が率いるレーザーラピッドプロトタイピングセンターは、中国で初めてラピッドプロトタイピング製造 - RPM（ラピッドプロトタイピング製造）技術の研究を行い、さまざまな先進的なRP設備と関連ソフトウェアおよびハードウェアの開発と研究を完了しました。世界のRP分野で一定の地位を占めており、RPからラピッドツールRT（ラピッドツーリング）製造技術への転換についても多くの研究を行っています。

学業成績と業績の簡単な紹介

これまで、ヤン・ヨンニアン氏のチームは、数多くの国家自然科学重点基金、国家863計画、企業との水平協力の任務を引き受け、完了してきました。閻永年教授は主任設計者として、我が国の重機産業と国防に緊急に必要な世界クラスの大型油圧プレス5セットを完成させました。技術移転を通じて、企業が1万トン未満の容量を持つさまざまなタイプの油圧プレスを数千台生産するのに協力し、数千億の生産価値を生み出しました。

当社は、多機能ラピッドプロトタイピング製造システムや組織工学材料の大セグメント骨ラピッドプロトタイピング製造の分野で、国際的にトップクラスの科学研究成果を達成しています。彼は国家科学技術進歩賞で2等賞と3等賞を3回受賞し、省と大臣賞を5回受賞し、10件の発明特許を所有しています。
2012年、ヤン・ヨンニアン教授は昆山市に昆山永年先進製造技術有限公司を設立し、会長に就任しました。その後、海源機械と提携して「3Dプリント製造研究所」を設立し、3Dプリントの生産、教育、研究を組み合わせたチェーンを形成しました。

学術研究の特徴は次のとおりです。
1970 年代初頭、ヤン・ヨンニアン教授は金属鍛造成形プロセスと装置、特にプレストレスト構造用の大型金型鍛造装置とプロセスの研究に従事していました。当社は、材料成形加工の主力事業に続き、1989年にラピッドプロトタイピングの研究を開始し、1998年にはバイオマテリアルのラピッドプロトタイピングに取り組み、バイオ製造分野に参入しました。これまでに、バイオ製造、ラピッドプロトタイピング、重機の3つの方向性が形成され、いずれも良好な成果を上げています。学際的かつ最先端の分野に焦点を当て、実験と工学的応用を重視し、主な学術的成果と実績は次のとおりです。

1. 3D プリントの最も古典的な「離散蓄積」形成原理が初めて提案され、他の分野と融合して新たなフロンティアの成長ポイントを形成しました。
（１）「除去成形」（切削等）、「強制成形」（鋳造、鍛造等）に続く新しい成形原理・方法である。
（２）これに基づいて、離散積層プラットフォーム（ソフトウェアとハードウェアのシステム）の概念を提案し、様々なRPとRMプロセスを実現できる多機能ラピッドプロトタイピングシステム（実験装置）を完成させた。これを基に、単機能と多機能のラピッドプロトタイピング商用装置が完成し、国家科学技術功績賞二等賞を受賞した。
（３）離散積層形成原理と熱誘起相分離法を組み合わせることで、段階的な多孔性を有する三次元構造を作製することができ、これを用いて人体の臓器修復のための組織工学用足場を製造することができる。
（4）離散積層成形原理と細胞材料ユニットの誘発凝固技術を組み合わせることで、事前設計に従って細胞を制御的に3次元構造に組み立て、体外-体内培養を通じて人体臓器を形成できます。

2. バイオ製造に関する学術研究ヤン・ヨンニアン教授は生命科学の分野に製造科学を導入し、「生物製造工学」という学問概念と枠組み体系を提唱し、製造科学の発展に新たな方向性を提示しました。細胞または細胞材料は、制御された組み立てられた液滴として捉えられ、離散スタッキング形成原理に基づいて 3 次元構造に組み立てられ、生体組織や人間の臓器の修復と製造、およびバイオニック製品の製造を研究します。国家863、清華985、清華学際基金の支援を受けて、2000年にMedForm設備が完成し、2001年にバイオマテリアルラピッドプロトタイピングマシンが完成し、2002年にTissForm設備が完成し、2004年に細胞直接書き込みシステムと細胞プリンター（Cell Printing）が完成し、国際先進レベルのバイオ製造工学実験室が設立されました。

2. 西北工科大学の黄衛東チーム

黄衛東教授は、中国で初めて金属3Dプリントに関する科学的研究に携わった学者です。 1995 年、黄衛東教授はラピッドプロトタイピング技術に関する新しいアイデアを考案しました。それは、3D 印刷技術と同期粉末供給レーザークラッディングを組み合わせて、高強度の機械的負荷に耐えられる高密度金属部品を直接製造する新しい技術を生み出すというものでした。 2001年、黄衛東氏のチームは、レーザー立体形成に関する中国初の一連の独創的な革新特許を申請した。同社はこれまでに、レーザー立体成形の材料、工程、設備に関する国家発明特許および実用新案特許を12件取得している。

国産大型航空機C919の中央翼リブの製造は、黄衛東氏のチームが航空分野で金属3Dプリント技術を活用した典型的な例である。黄衛東教授は、主翼の主要部品である主翼について、わが国の現在の生産能力では需要を満たすことができず、海外から購入すれば大型航空機の国産化率に必然的に影響すると紹介した。ノースウェスタン工科大学はCOMACと協力してレーザー立体成形技術を応用し、C919航空機のチタン合金構造部品の製造問題を解決しました。現在、レーザー立体成形の製造コストは海外の鍛造製造と同程度ですが、最も重要なのは、独自の知的財産権を持つ特色ある新技術を形成していることです。現在では、この技術は航空宇宙エンジンなどの主要部品の製造にも活用されており、多くの航空宇宙企業に国際先進レベルに達する製造設備を提供しています。

研究分野：
1. 凝固・結晶成長理論：凝固・結晶成長過程の微細構造形成法則と輸送過程および界面反応との関係を基本原理の観点から明らかにすることに焦点を当て、凝固・結晶成長挙動を正確かつ定量的に記述・予測することを目標とする。
2. レーザー加工技術：レーザー表面改質、レーザー溶接、レーザー成形などを含み、高密度金属部品の迅速な金型不要の自由成形技術の開発に重点を置いています。
3. 鋳造技術：主に高性能大型複雑薄肉鋳物の精密成形のための圧力制御鋳造工学設備と技術の開発。
4. 先端材料の開発：高品質かつ低コストのマグネシウム合金、有機非線形光学結晶の成長、リチウムイオン電池用のリチウムバナジウム系正極材料。

黄衛東氏のチームは、20年にわたる熱心な科学研究を経て、レーザー立体成形の関連理論を金属3Dプリント分野で唯一の代表的な書籍「レーザー立体成形」にまとめ、西北工科大学出版局から出版しました。この本に書かれている科学研究理論の多くは画期的な理論的成果であり、科学研究にとって大きな指針となる意義を持っています。たとえば、本書では、3D 印刷プロセスにおける金属の CET 変態現象、プロセスパラメータが金属成形特性に与える影響など、さまざまな古典的な理論モデルを初めて提案し、詳しく説明しており、以下にグラフィック注釈が添えられています。

3. 西安交通大学の呂炳恒チーム

陸炳恒氏は我が国の3Dプリント分野で初の院士です。陸院士は1993年に中国で光硬化ラピッドプロトタイピング製造システムの研究を開拓しました。彼は世界初の紫外線ラピッドプロトタイピングマシンと国際的に先進的な機械、光学、電気統合ラピッド製造設備と特殊材料を開発し、国内トップクラスの製品ラピッド開発システムを形成し、そのうち5種類の設備と3種類の材料が産業化され、我が国の製造業の競争力向上とWTO加盟の課題の解決に重要な役割を果たしました。

研究の方向性:
IC製造設備とナノ製造、レーザーラピッドプロトタイピング製造、製造情報化など、わが国の先進製造技術を開発するために、国は西安交通大学に国家ラピッド製造工学研究センター（NERC-RM）を設立しました。これは、西安交通大学の人材と技術的優位性に基づいて設立された国家先進製造技術革新プラットフォームです。西安瑞特急速製造工程研究有限公司は、エンジニアリングセンターの産業応用を支援する企業であり、院士の呂炳恒氏が取締役会長を務めている。さらに、3Dプリントの産業応用を実現するために、西安交通大学の呂炳恒院士と西北工業大学の黄衛東教授が陝西省政府の支援を受けて協力し、渭南に3Dプリントイノベーション研究センターを設立し、3Dプリントの産業化を促進することを目指しています。

4. 北京航空航天大学の王華明チーム

王華明氏のチームは、金属3Dプリントを専門とする国内科学研究チームの一つです。特殊な背景から、主に大型航空機や主要装備製造業などの国家の重要プロジェクトの発展戦略ニーズに焦点を当て、「高性能難加工大型複合一体型キーコンポーネントレーザー直接製造技術」を開発しました。これは先進的な製造技術の発展方向を代表し、主要装備製造に大きな応用価値を持っています。これにより、我が国は世界で唯一、航空機チタン合金の大型主要荷重支持構造部品のレーザーラピッドプロトタイピング技術を突破し、実装応用を実現した国となりました。
2016年、王華明氏は中国工程院の院士に選出された。

研究の方向性:
1. 「レーザークラッディング多元素多相遷移金属シリサイド高温耐摩耗・耐腐食多機能コーティング」という新たな研究方向を提唱し、耐摩耗性に優れ、「異常摩耗負荷特性」、「異常摩耗温度特性」、「非粘着金属特性」などの特性を持つCr3Si/Cr2Ni3Siなどの遷移金属シリサイド多機能コーティング材料の新体系10種以上を開発しました。一連の研究論文は国際誌「Advanced Coatings & Surface Technology」に「特別報告」として掲載されました。
2. 高推力重量比の航空エンジンの重要な摩擦ペア部品の高温高速「異常」な摩擦挙動を詳細に研究した結果、炭素含有量が最大9～12％の「レーザークラッディング超高炭素Cr-Ni-C高温自己潤滑特殊耐摩耗コーティング新材料」を開発しました。これは、わが国の新型航空エンジンの重要なホットエンドの高温耐摩耗可動ペア部品にうまく適用され、「国防科学技術賞」の2等賞を受賞しました。
3. チタン合金非接触レーザー溶融冶金結晶の好ましい成長特性に関する徹底的な実験と理論研究に基づき、「方向性成長柱状チタン合金レーザー局所閉じ込め溶融鋳造冶金材料の製造とエンジンブレードなどの複雑な部品のレーザー直接成形の新技術」を発明し、チタン合金の高温耐久性を10倍以上に向上させました。
4. 航空機チタン合金などの高性能金属構造部品のレーザーラピッドプロトタイピングのキーテクノロジーとキープロセス設備技術の突破。BT20チタン合金胴体のキー構造部品のレーザーラピッドプロトタイピングは、搭載テスト飛行前のすべての地上評価に合格し、搭載審査も通過して実際の搭載アプリケーションを完了しようとしています。「超純粋合金精製」、「方向性凝固」、「急速凝固」などの3大先進高温合金準備技術が「レーザーラピッドプロトタイピング技術」と有機的に融合し、「超純粋ラジアルマイクロ柱状勾配高性能高温合金タービンディスク」という新しいアイデアとニアネットシェイプ部品のレーザー直接プロトタイピングの新しい技術が提案され、直径450mmの超純粋ラジアルマイクロ柱状勾配高性能高温合金タービンディスクの製造に成功しました。
5. 「水冷銅鋳型レーザー溶解炉」を発明し、レーザー溶解鋳造による耐火性、難加工性、高活性金属材料の製造と部品の直接成形の新プロセスを発明。Wなどの耐火合金、W/W5Si3などの耐火金属強化超高温「原位置」複合材料とその部品のレーザー溶解鋳造冶金製造と成形に成功し、耐火性、難加工性の高性能合金材料の製造と複雑な部品の成形製造の新しい方法を発見。
6. 「高ジャクソン因子小ファセット結晶」の滑らかな液体-固体界面と段階的成長メカニズムは、凝固冷却速度と界面過冷却に対して非常に鈍感であることが分かりました。これは、「凝固冷却速度または界面過冷却の増加に伴い、小ファセット結晶の液体/固体界面構造は原子スケールの滑らかさから原子スケールの粗さに変化し、成長メカニズムは横方向成長から連続成長メカニズムに変化する」という古典的な凝固理論の「有名な推論」の適用範囲を合理的に補完します。

5. 華中科技大学の石宇勝チーム

石宇勝教授は、材料成形と金型技術国家重点実験室の副所長、中英先進材料成形技術共同実験室の副所長を務めており、粉末材料レーザーラピッドプロトタイピング技術の学術体系と統合システムを確立し、国内外の200以上のユニットで広く使用され、大きな経済的、社会的利益を達成しています。

研究成果:
近年、当社は国家863計画と国家自然科学基金の支援を受けて、粉末成形（選択的レーザー焼結急速成形、選択的レーザー溶融急速成形、レーザー/静水圧プレス複合ニアネット成形を含む）分野におけるキーテクノロジーと基礎理論の体系的な研究と、生態農業点滴灌漑節水製品の急速な開発を行ってきました。選択的レーザー焼結ラピッドプロトタイピング技術の完全な学術体系とシステムが確立され、国内外で広く使用され、顕著な経済的および社会的利益を達成しました。ドイツに続いて、中国は中国で最初に半導体ポンプとファイバーレーザーを使用した商用SLM装置の開発に成功し、複雑で微細な金属部品/金型を直接ラピッドプロトタイピングするための新しい製造モデルと手段を提供しました。レーザー粉末ラピッドプロトタイピングと静水圧プレス技術を組み合わせて、高性能の複雑な構造部品のニアネットシェイプ製造を実現するという新しいアイデアが提案されました。コンフォーマル冷却チャネルを備えた精密射出成形金型のデジタル設計と製造の新しい原理が提案されました。節水製品を低コストで迅速に開発するための理論と方法が開拓され、広く使用され、明らかな経済的利益と特に重要な社会的利益をもたらしました。彼の理論的成果の一部は、14の海外の有名なジャーナル、42の国内の中核的かつ重要なジャーナル、いくつかの重要な国際学術会議で発表されました。そのうち、25はSCIに、60はEIに、7はISTPに、10は特別報告と講演に採用され、200回以上引用されました。彼の研究成果は、さまざまなモノグラフや教科書にも広く採用され、科学教育映画にもなり、CCTV科学技術チャンネルで放送され、社会で大きな反響を呼び、国内外の学術界から高い評価と認知を得ました。彼は4つの発明特許を取得し、25の発明特許が受理されました。関連分野の発展を促進する上で重要な役割を果たしており、学術的にはこの研究分野において国際的に先進的なレベルに達しており、一部の部分は国際的にトップレベルに達しています。

上記の 5 つの主要な科学研究チームはそれぞれ独自の焦点を持っていますが、それぞれ異なります。他の分野と比較して、金属 3D 印刷技術は、最も応用範囲が広く、潜在能力が最も大きい、最も難しい印刷技術であると考えられています。上記 5 つのチームのうち、金属分野の 3D プリントに焦点を当てているのは 2 つだけです。従来の理論的知識モデルを組み合わせて、金属 3D プリントにおける CET 変換とプロセスパラメータが材料の成形特性に与える影響の結果を次のように共有します。

（１）金属３Dプリントの古典的なCET変換理論

等軸晶と柱状晶の形成と組成過冷却の関係

印刷プロセス中、金属は点状の溶融池の特性を持ちます。溶融池の底部の温度勾配が最も大きく、溶融池の高さが増すにつれて溶融池の温度勾配は徐々に小さくなります。そのため、溶融池の底にはエピタキシャル成長した柱状結晶が形成されます。溶融池表面に空気の対流があり、溶融池のあらゆる方向への熱放散率が均衡しているため、等軸結晶が形成されやすくなります。異なる合金の物理的特性が異なるため、異なる合金の熱吸収率と熱放散率は異なり、形成される等軸結晶領域も異なります。

（２）成形特性に対するプロセスパラメータの影響

下の図は、金属 3D プリントのさまざまなプロセスパラメータが金属の成形性に与える影響を示しています。ここで、P はレーザー出力、V はスキャン速度、d はスポット径、H は単層の厚さです。

出典: Material People 詳しい情報:
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