セラミック3Dプリント技術は航空宇宙産業に大きな可能性を秘めている

出典: パウダーネットワーク

工業情報化部と国有資産監督管理委員会は、先端材料の産業化の革新的発展を加速し、発展の相乗効果の形成を導くために、先端材料の産業化の重点発展指導目録の第1陣を共同で発行した。これらには「先進的な 3D 印刷材料」が含まれ、その性能特性は、優れた強度、可塑性、疲労性能、耐高温性、耐腐食性などの特性を備えた、3D 印刷技術によって製造された先進的な金属、構造用および機能用セラミックス、繊維複合材およびその他の材料です。

実際、世界の技術大国は、将来の産業発展の新たな成長点として、付加製造技術を育成し、支援してきました。わが国も「中国製造2025」国家戦略に付加製造を組み込み、第13次5カ年計画期間中にその支援と発展に注力してきました。

▲セラミック積層造形技術
セラミック3Dプリントアプリケーション市場：航空宇宙と防衛が大部分を占める

「中国製造2025」の急速な進展に伴い、セラミック製造業界も大きな変化を遂げ、「インテリジェント化・デジタル化」へと移行しつつあります。新興の3Dプリンティングは、高性能セラミック成形および製造の分野で大きな発展の可能性を秘めています。3Dプリンティングは、従来のセラミック加工および製造の技術的ボトルネックを打破し、主要なセラミック部品の応用に新たな道を開くことが期待されています。
セラミック 3D プリント市場は、ポリマーや金属の 3D プリントに比べるとまだ比較的新しい分野と考えられています。ベッツのレポートによると、世界のセラミック3Dプリント材料市場は2022年に4億1,000万元の規模に達し、2028年までに32億5,200万元に達すると予想されており、この期間中に平均年複合成長率41.19%で成長する見込みです。
セラミック 3D プリント市場の応用において、現在最大の顧客基盤は航空宇宙および防衛ハイテク産業であり、どちらもセラミック製品 (宇宙船の断熱タイルなど) に対する大きな需要があります。2 番目はバイオヘルスおよび医療分野です。この分野では、セラミックは主に義歯、手術器具、人体義肢、インプラントなどの医療製品の製造に使用されます。これは、3D プリント技術により、患者自身の人体構造に適合し、非常に優れた生体適合性を備えた医療用品を患者向けに正確にカスタマイズできるためです。

電波透過セラミックレドームの3Dプリント需要分析 高性能の波動透過セラミックスは重要なタイプのセラミック材料であり、その代表的な用途にはレドームなどのミサイルの主要部品が含まれます。誘導システムの探知性能と空力性能を決定する中核部品として、優れた空力特性、高温耐荷重性、超広帯域電波伝送などの特性を持つセラミックレドームの開発は、新世代ミサイルの開発において緊急に解決しなければならない重要な課題となっている。したがって、大型で高性能な波動伝達セラミック部品の迅速かつ精密な成形技術の開発は、軍事的にも社会的にも重要な意義を持っています。

1. 金型を必要とせずセラミックレドームを迅速に試作可能 現在、セラミックレドーム材料の研究と応用は、主に石英セラミックと窒化ケイ素セラミックに基づいています。石英セラミックレドームは、一般的にスラリー鋳造、射出成形などの成形方法で形成されます。一方、窒化ケイ素セラミックレドームは、ホットプレス焼結、ホットアイソスタティックプレス焼結、反応焼結、無加圧焼結などの製造方法で製造されます。上記の方法はすべて、成形プロセス中に金型を必要とします。

▲米国企業セラダイン社が製造する石英ガラス製アンテナカバーで成形されたセラミック部品のブランクは、最終製品を形成するために複雑な研削工程を経る必要があり、全体的な製造サイクルが長くなります。そのため、開発段階では、レドームの迅速な試作を実現し、開発サイクルを短縮する必要があり、金型を必要としないレドームの迅速な製造方法の開発が急務となっている。

2. 複雑な構造形状を有するセラミックレドームの開発要件 飛行マッハ数が5～16の極超音速ミサイルは、飛行速度が速く、貫通力が強く、目標攻撃範囲が広く、殺傷力が大きいなどの特徴があり、航空宇宙分野の主要な発展方向となっている。従来のレドームは軸対称の流線型の形状を採用しており、5を超える飛行マッハ数を満たすことができません。そのため、揚力抗力比が高く、推進力が強いウェーブライダーなどの複雑な構造形状が、極超音速ミサイル構成の重要な開発方向となっている。

▲米国の極超音速実験機X-51A。しかし、機体の複雑な構造形状により、レドームの製造難易度とコストが大幅に上昇しており、複雑な構造形状のレドームを迅速に製造できる加工方法の開発が急務となっている。

3. 広帯域サンドイッチ構造セラミックレドームの開発要件 誘導精度と耐干渉能力を向上させるために、アンテナカバーはより広い動作周波数帯域（狭帯域波伝送から2GHzを超える広帯域波伝送まで）内で動作する必要があります。しかし、従来のレドームは一般に単層の半波長壁構造を採用しており、動作帯域幅が限られています。したがって、サンドイッチ構造の使用は、レドームの広帯域波伝送を実現するための重要な方法です。広帯域サンドイッチ構造セラミックレドームは構造が複雑なため、製造が非常に困難であり、国内外でサンドイッチ構造セラミックレドームの製造に関する研究が盛んに行われています。例えば、米国のボーイング社は、低密度のシリコン窒化物コア層と高密度のシリコン窒化物表面からなる 2 層のマルチオクターブ広帯域レドームを開発しました。
▲レドームの典型的なサンドイッチ構造の模式図。現在、広帯域サンドイッチ構造セラミックレドームの製造技術は成熟しておらず、プロセスが複雑でコストが高いため、新たな製造方法をさらに模索する必要性が高まっています。

4. セラミックレドーム3Dプリント技術の開発需要 セラミックレドームの迅速な試作や、複雑な構造形状や広帯域サンドイッチ構造を持つレドームの精密開発のニーズを満たすために、セラミック3Dプリント技術は重要な開発方向となっています。従来の製造技術と比較すると、3Dプリントは金型を必要とせず、成形速度が速いため、複雑で特殊な形状の部品の成形に特に適しています。部品が複雑であればあるほど、その利点は顕著になります。そのため、セラミック3Dプリント技術の開発は、アンテナカバーの迅速な試作と技術開発にとって大きな意義を持っています。

波動伝達セラミック3D部品印刷プロセス

1.3Dプリント技術 金属材料とは異なり、一般的に使用される波動伝達セラミック材料は、選択的レーザー溶融 (SLM) などの直接印刷プロセスを使用して形成することが困難です。石英セラミックスは1600℃に加熱されて溶融すると特性が変化します。窒化ケイ素セラミックスは常圧下では融点が一定ではありませんが、1870℃に加熱すると分解します。そのため、波動伝達セラミックスでは、間接的な3Dプリントプロセスが一般的に使用されています。

△セラミック3Dプリントプロセスの指標の比較セラミック3Dプリントプロセスはそれぞれ異なる特性を持っています。ミサイルレドームなどの用途では、ミサイルレドームには機械的強度、表面品質、電気的特性に関して厳しい要件があります。
3DP プロセスで印刷されたセラミック部品の強度は要件を満たすには低すぎます。

SLS および FDM プロセスを使用して単層セラミックレドームを印刷し、その後の精密機械加工によって表面品質を確保することができます。ただし、印刷されたコンポーネントの精度は低いため、広帯域サンドイッチレドームの印刷に使用することは困難です。

SLA および DLP プロセスで印刷されたセラミック部品は表面品質と精度が高く、さまざまな種類のセラミックアンテナカバーの作成に使用できますが、3D 印刷の効率は低く、コストが高くなります。

▲特殊セラミック製タービンブレード、アンテナカバーなど（出典：Sublimation 3D、PEP粉末押出セラミック3Dプリント技術を使用。これは、粉末冶金プロセスと組み合わせたFDM熱溶解積層技術に基づく3Dプリント方法です。）
2. 3Dプリント材料 中国では3Dプリント材料に関する研究が盛んに行われていますが、主にアルミナ（Al2O3）、酸化ジルコニウム（ZrO2）、ケイ酸カルシウム（CaSiO3）、炭化ケイ素（SiC）などの非波動セラミック材料に焦点が当てられています。高温波動伝達セラミック材料の研究は、主に酸化物セラミック、リン酸塩セラミック、窒化物セラミックの3つの側面に焦点を当てていますが、3Dプリント波動伝達セラミック材料の研究はあまり行われていません。

▲各種波動透過セラミックスの特性と適用分野波動透過セラミックスの3Dプリント要件を考慮すると、安定した性能とバッチ調製能力を備えた材料システムを形成するために、3Dプリント材料の研究を行う必要があります。

高性能波動透過セラミックスは航空宇宙分野で重要な応用価値を持っています。技術の発展に伴い、既存の複雑な形状の電波透過セラミック部品は、試作サイクルが長く、成形が難しいなどの課題に直面しています。高度なセラミック 3D プリント技術の開発は、ミサイルのレドームなどの高性能セラミック部品の設計、研究、製造に積極的な役割を果たすでしょう。現在、高性能波動伝達セラミック部品の3Dプリントはまだ初期段階にあり、設備、材料、プロセスなどの一連の重要な技術を克服するための徹底的な研究を緊急に行う必要があります。

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