積層造形エンジニア：ブロックを組み立てる魔術師

出典：人民日報

「3D プリンティング」としても知られる付加製造は、航空宇宙、自動車、医療、建築、芸術などの分野で広く使用されています。付加製造を行う「魔術師」は、2022 年 6 月に「付加製造エンジニアリング技術者」という正式名称を取得しました。

誰の目にも、それらはあらゆる物体に変化できるのです。この新しい職業の日々の仕事は何ですか?これらの「魔術師」たちは、積層造形の将来に何を期待しているのでしょうか?人民日報の記者が北京市順義にある北京三迪科技有限公司（以下、「三迪科技」）を訪問し、同社の研究開発ディレクターである陳清文氏にインタビューした。

思った通りの結果が手に入る<br /> サンディテクノロジーの研究開発および試作工場に入ると、技術者がコンピューターの画面を見つめていました。マウスを少し動かすだけで、画面上の不規則な 3D モデルが反転します。

「これはお客様のニーズに基づいて設計したモデルです。関連データを機械に転送すると、印刷できます。」と陳青文氏は述べ、さらに興味深いのは、小さな物体であれば、蒸し器で蒸しパンを蒸すように、毎回バッチで印刷して積み重ねることができることだと語った。

△陳青文さんが3Dプリンター設備の稼働状況を確認しています。写真：石志鵬
37 歳の陳青文さんは河北省張家口市出身です。学部と修士課程の学位はどちらも機械設計に関するものです。彼がこの分野をさらに深く探求することを選んだのは、付加製造の将来性のためでした。

付加製造とは、デジタルの 3 次元モデルを 2 次元モデルに変換し、それを積み木のように層ごとに積み重ねて 3 次元エンティティに復元するプロセスです。 3D プリンティングはなぜ開発されたのでしょうか?陳青文氏の意見では、従来の製造方法と比較して、3Dプリントは複雑な構造部品の成形問題を効果的に解決し、真に「欲しいものが手に入る」ことを実現できるという。

「この模型を見てください。中が空洞になっていて、構造が複雑です。」陳青文は展示台の横で精巧な模型を手に取った。「これは鉄よりも強度が高く、はるかに軽いチタン合金で作られています。」彼はさらに、コンフォーマル冷却金型などの例を挙げました。製品の形状に合わせた冷却水路を作ることで、金型をより速く、より均一に冷却することができます。

前に歩いていくと、機械が動いています。ガラス窓を通して、広げられた粉末に向かってレーザー光線が飛び出し、粉末は瞬時に溶けて固まりました。 1層目が完成すると、成形シリンダーは肉眼では見えない0.03mm下降し、さらにもう1層の粉末を塗布しながらレーザービームを照射し続けます。「これはレーザープリンターで、電子製品のシェルを作るのに使われます。」陳青文氏は、一見簡単そうに見えますが、技術者はレーザーの速度、温度、経路などのプロセスパラメータを事前に研究して設定し、成形品の性能が良好であること、ひび割れ、反り、変形などの欠陥が起こらないようにする必要があると述べました。

見学を続けると、バインダージェット印刷を行う機械が見えてきます。接着剤とは何ですか？それは特別な種類の「接着剤」として理解することができます。基本的な原理はレーザーと同様で、成形シリンダーが下降し、粉末の層が敷かれ、その後バインダーが噴霧されて粉末が固まります。今の形から判断すると丸いので、後から出てくる「宝物」が何なのかは推測できません。物体の全体像を知らない人々に想像の余地を与えるのが、3D プリントの楽しさなのかもしれません。

「現在、インペラの製造にはセラミック材料を使用しています。」技術者が答えました。インテリジェントな無人制御プラットフォームにより、印刷の進行状況が一目でわかります。合計 330 層、現在は 220 層です。 6,000 個以上のノズルから「接着剤」を噴射することで、あと 1 時間で完成します。

バインダージェッティングには、レーザー印刷に比べて独自の利点があります。まず、高効率と低コストです。レーザー印刷は「ポイントスキャン」ですが、バインダーは「ラインスキャン」なので、印刷速度が速くなります。第二に、接着剤は幅広い材料に適用可能であり、実際の対象物は砂部品、金属部品、セラミック部品、プラスチック部品などです。

利点は大きいですが、ラピッドプロトタイピングは簡単ではありません。バインダーの研究開発、成形プロセス、焼結プロセスの制御が重要なステップです。新しい粉末を使用するたびに、結合強度や表面品質などの指標をチェックして、既存のバインダーが適合しているかどうかを判断する必要があります。期待した成形効果が得られない場合は、接着剤を改良または開発する必要があり、そのためには多くのテストが必要になります。同時に、バインダー印刷された部品は焼結強化を必要とすることが多く、収縮や変形が起こりやすくなります。陳青文氏はこのプロセスを「調理」と表現しました。結合剤は調味料のようなもので、焼結プロセスは熱のようなものだということです。味付けが適切で、火加減がちょうど良いときだけ、料理は美味しくなります。

キャスティングをさらに強力にする<br /> 本物そっくりの動物の模型、精巧に作られた鋳造部品、さまざまな小さくて繊細な金型... 3D プリントされたオブジェクトは、ワークショップのいたるところで見られます。

「この製造方法を知る人はますます増えているが、実際には、伝統的な産業分野における3Dプリントの普及率は比較的低く、まだ初期段階にある」と陳青文氏は認めた。

3D プリントを他の業界に「接続」するにはどうすればよいでしょうか?陳青文氏とその同僚たちは長い間考え続け、探求し、最終的に鋳造業界に注目しました。

△3Dプリントした砂型。なぜインタビュー対象者のキャスティングで写真を提供しているのですか？鋳造は現代の製造業の基盤であり、自動車の部品の 15% 以上が鋳造によって生産されています。最も基本的な鋳造プロセスである砂型鋳造には利点がありますが、従来のプロセスでは、工場で最初に木型を作り、次に砂型を形成する必要があります。「金型製作は最も時間とコストがかかる工程で、特に複雑な部品の成形は作業員に高度な技術力を要求する。実際、複雑な部品の手作り金型の不良率は高く、鋳造工場の生産コストと運営コストを増大させる」と陳青文氏は指摘した。同氏は、この工程ではエネルギー消費量の増加や汚染の深刻化などの問題も発生するだろうと指摘した。

3D プリントはまさに適切な解決策です。「私たちは砂型を直接印刷することで、型開きの工程を省き、無理な型設計や型修理によるリスクを回避しています。」陳青文氏は、この「アクセス」方式は伝統的な産業に取って代わるものではなく、生産プロセスを最適化し、産業に力を与えるものだと語った。

陳清文氏は記者らに新鑫鋳造の変革物語を語った。新鑫鋳造はもともと陝西省咸陽市の企業で、伝統的な砂型鋳造技術を使用して非鉄金属合金製品を生産していました。 2021年、Xinxin CastingはSandi Technologyが独自に開発した3Dプリント設備と関連技術を導入し、徐々にグリーン、フレキシブル、ハイエンドの急速鋳造能力を形成しました。

当初、陳青文氏と彼のチームは、従業員に設備や工程の使用方法を指導するために頻繁に新鑫鋳造所に出向いていました。現在、同社はより強力な人材プールを有し、さまざまな複雑な構造の製品を生産することができ、安定した受注があり、生産額と利益は2倍に増加しました。さらに誇らしいのは、国内外の有名企業も Xinxin Casting の顧客になっていることです。

一連のデータは変化を反映しています。新エネルギー車の同じ軽量フレームの場合、従来の生産サイクルは40日です。3Dプリントを使用すると、完成したアルミ合金鋳物を6日で納品でき、コストは30％削減され、砂型の精度管理も±1mmから±0.3mmに向上します。

一致するポイントが見つかったら、その後のドッキングについて心配する必要はありません。「Xinxin Castingはまさにその好例です。『3Dプリント+鋳造』は、より伝統的な鋳造会社に力を与え、より複雑でハイエンドな製品の迅速な納品に対応できるようにします」とChen Qingwen氏は語った。

より成熟し、安定し、コスト効率の高い製品を作成する<br /> 記者は工房で、いくつかの機械は小さいが、他の機械は非常に大きいことに気づいた。大きな機器が大きなものに衝突するということは理解しにくいことではありません。多くの人が興味を持っているのは、「3D プリントではどれくらいの大きさの物体を印刷できるのか？」ということです。

「理論上、最終製品はプリンターのサイズ、容量、重量によって制限されません。」陳青文氏は、砂型はパンを食べるときのように、構造とサイズに応じてスライスして加工でき、それを何枚かに切り、つなぎ合わせて「大きなブロック」を形成できると説明した。

2022年6月には、積層造形エンジニアリングおよび技術担当者が新しい職種に含まれる予定です。業界関係者は、職業分類は職業教育訓練と人材評価を行う上で重要な基礎作業であり、3Dプリント技術者のさらなる認知と、関連する専門訓練への人材の出口を開くことを意味すると述べた。

2021年、付加製造工学専攻は一般大学の学部専攻カタログに含まれ、全国の多くの大学が「付加製造工学」の学部専攻を設置しています。昨年3月には、積層造形工学技術者に対する国家職業基準が公布・施行され、9月には、サンディテクノロジーは上海交通大学、聊城職業技術学院と共同で、専門人材を共同で育成するための国家積層造形産業教育統合コミュニティの設立を開始しました。

「人材は間違いなく業界の発展における重要な要素の一つです。」陳青文氏は、同社の研究開発チームには機械、電気、材料工学、ソフトウェア工学、印刷工学などさまざまな専攻の80人以上の人材がいると紹介した。「対応する専攻と基準ができたことで、才能を見極めやすくなり、現在の社会における才能のギャップをよりうまく埋められるようになりました。」

優れた付加製造エンジニアリング技術者は、技術を理解し、業界の発展を明確に理解している必要があります。近年、3Dプリンティングは急速な成長期を迎えています。 2021年、中国の付加製造企業の売上高は約265億元で、前年比31％増となり、世界の平均年間成長率より約10％高くなっています。関連機関は、2025年までに世界の付加製造が2,000億～5,000億米ドルの利益を生み出すと予測しています。

陳青文氏は、製造分野における 3D プリンティングの将来について楽観的です。「私は技術的なバックグラウンドを持っており、私と同僚の努力を通じて、より多くのアプリケーションシナリオを探求し、より成熟し、安定し、コスト効率の高い製品を生み出すことができることを願っています。」陳青文氏は、人々が興味を持つようになるだけでなく、さらに重要なことに、3Dプリントを促進して何千もの産業に力を与え、何千もの家庭に浸透させることになり、それはユニークで充実したものになるだろうと述べました。

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