呂炳衡院士：宇宙に「3Dプリント工場」を建設

出典：陝西ラジオテレビ局

3Dプリント技術は製造業の新星として知られ、航空宇宙や精密医療などの最先端分野でかけがえのない応用を持っています。西安交通大学の呂炳恒院士は「中国3Dプリントの父」として知られています。工場の最前線の熟練労働者から大学教授、そして中国3Dプリント分野の院士へと、彼は過去20年間、チームを率いて障壁を突破し、中国でゼロから3Dプリント技術を実現し、宇宙での最初の3Dプリント実験を実現しました。

呂炳衡は80歳に近かったが、それでも懸命に働き、1987年に博士号を取得した。当時、彼の研究の方向は機械的衝撃吸収の問題であり、応用分野は一般機械工業から自動車製造、さらには最先端の航空宇宙にまで及び、見通しは広範であった。 1992年に米国を訪れた際、陸炳衡は初めて自動車製造業における3Dプリント技術の応用を目にしました。これがきっかけで、彼は50歳近くになって研究分野を変え、3Dプリントの道を歩み始めました。彼の勇気を支えたのは、3Dプリント技術の破壊力と魔法でした。陸炳衡氏は次のように語った。「従来の技術では製造が難しい作業を3Dプリントで完成させるたびに、とても幸せで輝かしい気持ちになります。」

これは呂院士の過去2日間の旅程です。彼は朝から晩までほとんど自由時間がありません。彼は78歳で、スケジュールは非常にタイトで忙しいです。彼のわずかな自由時間を利用して、私たちは彼を訪ねるために国家付加製造イノベーションセンターに来ました。

これはハニカムキューブで、航空宇宙、自動車製造などの分野で軽量構造に適しています。多数の穴があり、グルテンに似た複雑な構造をしています。従来の技術で製造する場合、20日以上かかり、20以上の工程が必要になることがよくあります。 3D プリント技術の登場により、1 つのプロセスはわずか 12 時間強で完了できるようになりました。
この金色の鎧を伝統的な技法で製造する場合、輪ごとに編む必要があり、小さな輪の接合部は応力がかかりやすく壊れやすく、強度が不十分です。3Dプリント技術では、一体成形によりこれらの問題を完璧に解決できます。

ロケットの燃料タンクである長方形のシェルなどの小さな部品を印刷することは問題ありません。これらは一体成形されたボディです。 3Dプリントの形状に制限はありません。想像できる限り、印刷できないものはありません。何事も最初は難しいものです。Lu Binheng 氏が 3D プリント技術の研究を始めたとき、資金不足、材料不足、技術の封鎖などの問題に直面しました。しかし、彼は国がこの技術を必要としており、どんなに多くの困難があっても乗り越えられると固く信じていました。「私たちは1995年に科学技術省の重点広報プロジェクトの支援を受けてこれを開発し始めました。1998年に最初の注文を受けました。実際、私たちは多くの技術的な問題に直面しました。まず、ソフトウェアを見たことがなかったし、参考資料もなかったことです。2つ目は材料です。材料とレーザーのパワーをどのように一致させるか、そしてどのように変形を防ぐかです。私たちの能力が国内でローカライズされ普及し、外国製品を輸入する必要がなくなったことを非常に誇りに思っています。」

陸炳衡さんは卒業後すぐに教壇に立って科学研究に専念することはなく、河南省三門峡の中原計測器工場に入社し、機械工から技術者、そして工場長へと10年以上勤務した。彼の手の厚いタコは、今でも草の根の記憶を映し出している。「私は旋盤工として5年半働き、一日中鋼鉄に触れていたので、手はタコだらけでした。科学技術省が、このプロジェクトを引き受けられるかどうか調査にやって来て、私と握手しました。その時は、私が10年後にこの件で大成功するとは言っていませんでした。私に会った時、彼らは当時、他の大学にもこの技術があると言いました。その結果、握手したときに、手がタコだらけになったように感じました。この人はこの実用的なことをできるから、この技術を私に譲ってくれたのです。」

2020年5月5日、長征5号Bロケットに搭載された連続繊維強化複合材料と宇宙3Dプリント設備により、我が国は初の宇宙3Dプリント実験を実施しました。これは、宇宙で連続繊維複合材料3Dプリント実験が実施された世界初のケースでもあります。今回、我が国が独自に開発した複合材料宇宙3Dプリントシステムが試験船に搭載されました。研究者らは、この 3D プリンターをテスト船の帰還カプセルに設置しました。飛行中、システムは連続繊維強化複合材料のサンプルの印刷を自律的に完了し、微小重力環境での複合材料の 3D 印刷の科学的実験目標を検証しました。

最も重要なのは航空宇宙です。航空宇宙は技術的に複雑な製品であり、従来の方法では製造が困難です。航空宇宙製造で使用される材料の 95% 以上が切り取られて廃棄物になります。これらはすべて非常に高価な材料です。3D プリントは必要な場所に材料を蓄積するため、材料の節約という点で独自の利点があります。「これは航空宇宙分野向けにプリントした燃料タンクです。従来の製造方法ではこのような密閉タンクを製造するのは非常に困難です。タンクを半分に分け、溶接する必要があります。しかし、当社の3Dプリントタンクは一体型で製造されており、すでにロケットの打ち上げが完了しています。」

「これは火星に送られる次世代の接続リングです。宇宙ステーションで何かが故障したらどうなるでしょうか？そうなると、宇宙で印刷できる宇宙ワークステーションを作らなければなりません。そうすれば、一時的に必要なものを何でも印刷できます。特に宇宙で印刷する場合は、小型の装置を使用して非常に大きなものを印刷できます。重量はなく、下部のサポートも必要ありません。そのため、地上で非常に大きなものを印刷する場合とは異なり、リング装置もその大きさにする必要があります。宇宙では、小型の装置で長さに制限のないものを印刷できるため、この小型装置を開発し、1 つのプロセスで問題を解決しました。」

3Dプリント技術は航空宇宙分野だけでなく、多くの分野で科学技術革新の加速器になりつつあります。3Dプリントをさまざまな製造分野に深く応用できるようにするために、Lu Binghengはさまざまな分野の学術専門家と頻繁に議論し、ボトルネックの問題の打開策を模索しています。「私は工学アカデミーでコンサルティング研究を行っているため、他の分野の知識に多く触れています。複数の分野が交わることで、科学的で革新的な考え方が広がりました。この情報源はより豊かなものになっているように感じます。」
「現在、陸炳衡は3D印刷技術をベースに、スマート材料に基づく4D印刷とバイオ製造印刷技術をさらに研究しています。」4D印刷は一種のスマート材料です。この材料は、異なる環境、異なる温度、異なる電磁場によって形状が変化します。形状の変化は4D印刷と呼ばれます。 5Dプリンティングは私が提唱した用語です。さらに重要な機能的変化があり、それがバイオ製造や臓器再生に反映されています。製造された時点では死んだものですが、ある生化学的環境、つまり人体に埋め込むと、骨細胞を自ら成長させ、生きた臓器になります。したがって、その機能はより重要であり、また、無敵の力でもあります。これは、印刷された椎骨で、プロテーゼと呼ばれています。チタン合金でできています。これは、人の失われた顎顔面骨でもあります。この作品は、CT に基づいて作成されました。これを体に装着して顔の修復を行い、さらに活性細胞増殖因子を印刷に利用して、生体臓器を印刷で作る。今では、鼓動する心臓を印刷できるだけでなく、他の臓器も印刷できます。 ”

「人の人生の目的は社会に貢献することであり、できることは何でもやるべきだと考えています。3Dプリントは製造業全体にとってイノベーションの源となり、イノベーションを推進する最も強力な武器になり得ます。3Dプリント技術をいかに発展させ、我が国のさまざまな分野にうまく応用していくかは責任であり、立ち止まることはできません。」

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