3D プリントは子供のおもちゃですか?いいえ！それは偉大な国の強力な武器です！

出典: クールプレイラボ

最近、NASAのニュースでは、オハイオ州立大学の科学者と協力して、これまでで最も弾性の高い超合金GRX-810を開発したというニュースが発表されました。

この合金はどれくらい強力ですか? 1,093℃、20MPa（大気圧の197倍）という過酷な作業環境下では、現在トップクラスのニッケル基合金材料であるAM718は、通常、10時間後にゆっくりと塑性変形し、破損します。他の合金はせいぜい数十時間しか持続しません。

しかし、GRX-810 は全く違います。1% 曲がるだけで 2,800 時間、その場で壊れるまでに 6,500 時間かかるという耐久性の高さが際立っています。

さらに、超合金GRX-810は、Y2O3の添加により、他の合金に比べて強度が2倍、延性が2倍になっています。 1093℃の高温にさらされた場合の耐酸化性はスーパー合金718の2倍であり、1200℃の高温にも十分耐えることができます。

これはどういう意味ですか？アイアンマンのスーツ製作に一歩近づいたようです。

もちろん、この高級品をアイアンマンの服のようなおもちゃを作るために使うことは絶対にありません。この超合金はスポンサーであるNASAの主な事業と同様に、主に航空宇宙分野、特に高温・高圧を伴う分野で使用されます。
この超合金の製造工程は他の方法ではなく、ビリビリでよく見られる3Dプリントです。

しかし、樹脂やその他の材料をベースにした他の一般的な 3D プリントとは異なり、これは私たちがあまり馴染みのないタイプの 3D プリント、つまり金属粉末ベッド 3D プリントに属します。

今日は、3D プリンティングと、そのハイエンドでありながら知られていない側面についてお話します。

01

多くの人が幼い頃に3Dプリント技術を夢見ていたと思います。私たちは砂を積み上げ、魔法を使って比類のない魔法の武器を作り、世界最高のものになりました。こういう中学生っぽい考え方を持っているのは私だけじゃないはず、ハハハハ。

科学は今やこの魔法を実現したが、砂をつまむ手は人間の手ではなく機械だ。そしてこの技術は、将来あらゆるものを印刷できる3Dプリント技術です。

3D プリントは樹脂製の兵士やさまざまなおもちゃを印刷するだけだと思っている人が多く、3D プリントに対する理解がまだ非常に漠然としています。 3D プリントは宇宙船用の合金を作るのに適したソリューションではありません。

では、3D プリンティングを過小評価しています。今日の 3D プリンティングは過去のものと同じではありません。 2度も放棄された3Dプリント技術が正式に特許となった1984年以来、3Dプリントは40年間にわたり紆余曲折を経てきたことを知っておくべきです。

3D プリントがここまでしか発展していないとしたら、世界で最も優れた頭脳の想像力を過小評価していることになります。

3D プリント技術は、旋盤のように材料の使用量を減らすのではなく、生成するポイントごとに材料の使用量が増えるため、現在では積層製造技術とも呼ばれています。

昨年安倍首相を暗殺するために使われた有名な銃は、暗殺者が自宅で3Dプリントしたものだった。もしこれが古代に起こったとしたら、日本の伝統によれば、その銃は「XX切」と名付けられるはずです。

これはあなたの認識を覆しましたか?

ロシアに関するもう一つの「初心者」ジョークを話しましょう。生産ラインの故障により、MiG-31戦闘機のいくつかの小さな部品は製造業者が見つからず、軍は生産ラインを設置できなかったという噂が長い間ありました。この目的のため、ロシアは関連部品のサプライチェーンをどのように修復し改善するかを競うコンテストをいくつか開催した。

結局どう解決したのでしょうか？

ニジニ・ノヴゴロド・イーグル航空機製造工場の主任設計技師、アレクセイ氏は、ミグ31戦闘機の3Dを迅速に修復するという問題を解決するため、2,000元を費やして中国から3Dプリンターを購入した。

知らせ！！！このチャンネルではこのジョークの信憑性を保証するものではないことをここに宣言します。！！

そこで、40年にわたる人類の英知の結晶として、ここで秘密をお教えします。中国機械工学協会のウェブサイトによると、3Dプリントは、成形方法の違いによって7種類の積層造形技術に分類できます。

まず、さまざまなエンターテイメントビデオでよく見られる 3D プリント技術が 2 つあります。

1. 光重合技術に基づく付加製造：主な材料は感光性樹脂です。その製造方法は非常にシンプルで、感光性樹脂などの材料の特定の部分に光を集中させ、樹脂を固めて形を作るというものです。次に、光硬化領域を変更し、次の層の材料の硬化を続けます。最も古典的なフォトリソグラフィー技術は SLA ステレオリソグラフィーです。

2. FDM（熱溶解積層法）：このタイプの 3D プリントは SLA よりもさらに一般的です。溶融したプラスチックやその他の材料を使用して、必要なものを層ごとに積み重ね、固まるのを待ちます。皆さんも、このような 3D プリンターを使って独自のガジェットを作成しているさまざまなアップローダーを見たことがあると思います。

次に、ほとんどの人が聞いたことがないと思われる 3D プリントの 5 つの種類があります。

1. 粉末の焼結と溶融に基づく粉末床溶融積層造形技術：この技術は総称して粉末床溶融（PBF）プロセスとも呼ばれ、この記事の冒頭で紹介した超合金を製造する製造プロセスでもあります。核となるのは、溶融粉末の冷却を利用して 3D プリントされた 3 次元グラフィックスを形成することです。ここでは主に 3 つの技術的なパスがあります。 SLS: 選択的レーザー焼結、SLM: 選択的レーザー溶融、EBM: 電子ビーム溶融。

2. 粉末バインダーの基本原理に基づく積層造形技術：この製造方法は、前述の粉末床融合 3D プリントと非常に似ていますが、接続方法に関しては、接着剤を使用して粉末を結合することを選択しています。結合した粉末が金属の場合、材料全体が焼結されて最終製品が形成されます。

3. エアロゾル印刷技術に基づく付加製造：これは、新素材フィルムや高性能電子・生物デバイスに一般的に使用される 3D 印刷材料です。主に、幅がわずか数ミクロンの非常に細いエアロゾルジェットを利用して金属ナノ粒子インクを運び、マイクロスケールでの精密デバイスの微細製造を実現します。

4. シート融合に基づく LOM ラミネート製造: これは非常にシンプルで、紙やプラスチックフィルムなどのシートを超音波溶接、ろう付け、接着、または化学的に積み重ねてラミネートし、3 次元形状を形成します。

5. ラピッドプロトタイピング技術とバイオ製造技術に基づく細胞3Dプリンティング：主に細胞を原料とし、生物の組織形態を参考にして細胞を少しずつ配置し、皮膚、筋肉、血管などの単純な生命組織を形成します。

これら 5 つの技術的進路にはそれぞれ独自の特徴がありますが、どれが現在および将来の工業生産を覆すことができるのでしょうか?金属を印刷し、J-20や長征5号などの国家重機を製造し、前述の超合金を作成できるのは、粉末床融合積層造形技術に違いありません。

02

実際の製造現場では、複雑な内部構造を持ち一体成形されたエンジンの中空ブレードなど、従来の製造方法では型から取り出したり切断したりできない部品が数多くあります。現時点では、メーカーにとって最善の選択肢は、金属 3D プリント技術を使用することです。

ナイロン 3D 印刷技術の最も基本的な形式は、選択的レーザー焼結 (Selective Laser Sintering) の略である SLS です。この技術は非常に興味深いです。本質的には、それはシンプルです。高出力レーザー光源を使用して粉末を選択的に溶かし、それを結合して完成品にします。

まず、通常は熱可塑性粉末または金属粉末を他のホットメルト粉末と混合した粉末材料の薄い層がプラットフォーム上に均一に広げられます。

次に、高出力レーザーを使用して粉末床の表面をスキャンし、3D モデルに従ってさまざまなパターンをレーザーで選択的に描画して、プラスチックなどの低融点材料を溶かします。溶けた接着剤は、溶けていない他の粉末と自然に結合して、特定のパターンを形成します。

3 番目のステップでは、部品の各層が溶けた後、ビルドプラットフォームは計算に基づいて高さを少しずつ下げ、前の層の上に新しい粉末材料の層を置きます。

プリンターは、オブジェクトが完成するまでこのプロセスを層ごとに繰り返します。

最後のステップは、完成品を粉末床から取り出し、対象物を研磨、磨き、または染色して生き生きとさせることです。

これは砂を集めて塔を作るという一種の美しさだ、とあなたは言います。

この粉末ベースのレーザー 3D 印刷装置の印刷速度は、一般的に 1 時間あたり数十から数十ミリメートルしかありませんが、プロセス全体は非常に正確です。一般的な SLS 印刷の精度は 0.2 mm に達します。
しかし、問題があります。内部の接続は溶融接着剤に依存しており、その強度は鍛造金属とは比較になりません。

それで私たちは何をすべきでしょうか?

ロシアのことわざに「鉄の棒を阻止するものは何もない。抵抗に遭遇したら、棒を太くしなさい」というものがあります。

現時点ではレーザーで金属を溶かすことはできないので、出力を上げてレーザーを金属を溶かすのに十分な強さにすればいいのです。

これが SLM であり、現在の産業用 3D 金属積層造形において最も重要な技術です。

SLM の正式名称は Selective Laser Melting で、選択的レーザー溶融成形技術を意味します。彼は特定の領域で金属を直接溶かし、当社の高度なエンジンモデルの一部に不可欠な中空のターボファンブレードなど、あらゆる種類の奇妙な形状の部品を自由に作ることができます。

しかし、より重要なのは、その一体成形能力が多くの先進産業にもたらす潜在的な破壊力です。

この機能はどの程度破壊的でしょうか?

例: 2017 年 10 月、GE は第 5 世代ターボシャフトエンジンである T901-GE-900 ターボシャフトエンジンのプロトタイプテストを実施しました。このエンジンは多数の 3D プリント部品を使用しており、従来の設計に比べてエンジン全体の重量が約 20% 軽減されています。

これは、エンジンの推力対重量比が直接 25% 増加することを意味し、エンジン性能がほぼ 1 世代向上したことになります。

それだけではありません。同社の3Dプリント部品シリーズの1つは、従来の方法で製造する場合、溶接とボルト締めで組み立てられる50以上のサブコンポーネントが必要になります。 3D プリントを使用すると、部品が直接 1 つに統合され、従来の製造方法の複雑な供給プロセスが完全に排除されます。

この方法で印刷された 3D 部品はコストを削減するだけでなく、企業の在庫と配送サイクルも短縮するため、これも大きな意義があります。さらに、ダイレクトフォーミングにより、鍛造や溶接などの製造工程で発生する性能低下もある程度低減され、部品の歩留まりや最終構造部品の機械的特性も向上します。

つまり、人類が恒星間空間に旅するときには、大量の生産ラインを移行する必要はなく、大量の粉末と数台のプリンターだけを持って行けばよいのです。何かが足りなかったり壊れていたりした場合は、印刷してその場で問題を解決してください。地球からの支援を待つ必要はないと思いませんか？

PFB の最終形態は電子ビーム溶解法 (EBM) です。

これはさらに強力です。その核心は、高エネルギー電子ビームを集中させることによって生成される高密度エネルギーを使用して、スキャンされた金属粉末層の局所的な小さな領域に高温を発生させ、金属粒子を溶かすことです。このように、金属が固まった後、接続されて線状および表面の金属層が形成されます。

わあ、これは小型粒子加速器だ。

しかし、EBM は今のところそれほど使いやすくはありません。まず、使用するには真空が必要であり、使用とメンテナンスのコストも安くはありません。次に、印刷プロセスで X 線が発生するため、ほとんどの人にとって EBM は避けるべき放射線です。

米国はLeapからGE9Xまでエンジンブレードの製造にEBMを使用してきました。

しかし、ほとんどの場合、業界で最も広く使用されている粉末床形成技術は、依然としてレーザーベースの 3D 印刷技術である SLS と SLM です。

03

では、レーザー 3D プリントには弱点があるのでしょうか?

もちろんあります。まず、レーザー3Dプリント製造技術を使用した後の合金の強度は、合金の鋳造の強度を超えることができますが、鍛造後の同じ合金と比較すると、まだ一定の距離があります。

刀鍛冶競技を見た友人もたくさんいると思います。大きな馬を積み重ねるか、3頭一緒に積み重ねるか。機械による打ち抜きと手作業によるハンマー打ちは、鍛造ナイフの強度を高めるために不可欠です。
これは、鍛造が金属の塊に圧力を加えて塑性変形させ、一定の機械的性質、形状、大きさを持つ鍛造品を得る加工方法だからです。その主な目的は、外力を利用して金属の微細構造を変化させ、製錬工程で生じる鋳造時の空隙などの欠陥を排除し、微細構造を最適化することです。

3D プリント自体には、このような微細構造の変更は含まれず、金属を溶かした後の結晶化プロセスのみが含まれます。つまり、Y-20 の主な耐荷重部品など、多くの重要な領域では、3D プリントが鍛造品を置き換えることはできないということです。

さらに、3D プリントされた製品は、完全なエンジン燃焼室や完全な中空ブレードなど、一般的に一体構造です。この時点で強度を上げるためにもう一回鍛造を追加したい場合。そうすると、成形された部品全体が変形したり、平らになったりします。

第二に、3D の大量生産能力はまだ比較的低いです。伝統的な産業では、鍛造や鋳造であれ、切削加工であれ。それぞれの方法は、組立ライン方式でスケール効果を形成できます。積層造形の場合、固定費を投入した後、各部品を少しずつ印刷するため、3Dプリントのスケール効果は強くありません。

国内の関連業界調査報告によると、積層造形2.0時代に入ってから、3Dプリントのコスト優位性は2桁から1万未満に増加した。つまり、コストは下がったものの、需要が1万個を超えると、3Dプリントは金属部品のオープンモールド鋳造に対して明確なコスト優位性がなくなるということです。

3つ目の欠点は、大規模な3Dプリントがまだ難しいことです。この問題は主に現在の 3D プリンターのサイズによって制限されます。 3D プリントを見たことがある友人なら、プリンターの外観が四角くてそれほど大きくないという印象を持っているはずです。実際、超大型 3D プリンター、特に粉末印刷、大規模な粉末床印刷の製造は、安全性、製品の品質管理、生産効率など、一連の世界的な問題をもたらします。

最後の欠点は、レーザー 3D プリントの精度がまだわずかに低いことです。最後に処理が必要なのは印刷された製品だけではありません。私の国のPolylite S500とS600レーザー3Dプリンターを例にとると、その再現精度はわずか±5μmです。この精度は、従来の精密機械加工の 10 ～ 0.1 μm の精度と比較すると、まだ若干不十分です。

現在明らかになりつつある欠陥は、新興産業にとっては良いことだ。結局のところ、業界の上限は物理法則に依存し、エンジニアリング能力によって下限が決まるだけです。ある観点から見ると、現在 3D プリンティングが直面している問題はすべてエンジニアリングの問題です。そして、それが示す物理的な製造能力の上限は興味深いものです。

04

現在、世界の3Dプリンティング技術は、ものづくりの分野で極めて速いスピードで普及しています。

Grand View Researchが発表したレポートによると、北米の3D金属プリント市場の年間複合成長率は2023年から2030年の間に22.5%に達する可能性があり、これはわずか3年強でほぼ倍増することになります。
世界的に見ると、世界の金属 3D プリント市場は 2022 年に 63 億 6,000 万米ドルに達すると予想されています。さらに、北米の金属3Dプリントは比較的成熟しているため、世界の金属3Dプリント市場は北米よりも速いペースで成長し、2023年から2030年までの年平均成長率（CAGR）は24.2％に達すると予想されています。

この業界の成長率は、先ほど述べた知能ロボット業界の年間成長率 38.6% ほど高くはありませんが、すでに十分に盛り上がっています。私の国における金属 3D プリントの将来の成長率は、間違いなく世界平均よりも高くなるでしょう。

さらに、我が国は米国と比較すると、従来の航空宇宙分野などの加工・製造能力では米国に遅れをとっていますが、3Dプリンティングの高度な応用ではそれほど遅れているわけではありません。

国内の大手SLM機器メーカーは主にポリライト社とファースーン社です。その中で、ポリライトは中国で最も高い市場シェアを誇ります。2016年から2019年にかけて、自社開発設備の販売台数は100台を超え、中国における金属3Dプリント技術のフルセットソリューションの大手サプライヤーです。ファースーンハイテックは、SLM技術に代表される金属印刷装置の開発も継続的に行っています。

我が国の金属 3D プリントのリーダーである Polylite の自己開示によると、次のとおりです。

「2019年7月現在、ポリライトの3Dプリント部品は、航空機モデル7機、UAVモデル4機、航空機エンジンモデル7機、ロケットモデル2機、衛星モデル3機、ミサイルモデル5機、ガスタービンモデル2機、宇宙ステーションモデル1機など、多数の国家重点モデルプロジェクトの開発をサポートするために一括して導入または使用されています。」

プロジェクトには、C919などの大型軍用機や民間機、先進的な戦闘機、ドローン、高推力重量比の航空機エンジン、新型ミサイル、宇宙ステーション、衛星などが含まれる。 ”

実際、私の国の金属 3D プリントの取り組みは、ほとんどの国よりも進んでおり、より野心的です。

わが国の王華明院士率いる「航空機用チタン合金の大型で複雑な一体型部品のレーザー成形技術」は、早くも2012年に国家技術発明賞の一等賞を受賞しました。これにより、我が国がチタン合金構造部品の製造プロセスにレーザー 3D プリントの技術的道筋を採用することも明らかになりました。

王華明氏が2015年に中国工程院の院士に選出された際の公開情報によると、「同氏が開発した金属部品のレーザー溶融積層造形技術は、2005年以来、J-15、Y-20、J-11B、J-31、C919など7機の航空機、東風XXなど3機のミサイル、耀感24など2機の衛星、FWS13など3機の航空機エンジン、ガスタービン1基の開発と生産に応用され、重要な役割を果たしてきた」ことが分かります。

Y-20の開発中も、レーザー積層造形技術を活用して、胴体と主脚の接合部にある6種類の大型主要荷重支持部品を7日間で迅速に製造し、予定通り初飛行を実現しました。
Y-20は最終的に主な耐荷重構造としてより多くの鍛造品を採用したが、これは関連分野における中国の野心を示している。

何年も経ち、現在では金属 3D プリントで製造された統合コンポーネントは、我が国で既知または未知のほぼすべての先進的な航空宇宙モデルの部品に使用されています。エンジンブレード製造などの分野では、Gangyan Gaonaなどの国家重点科学研究企業がGEなどの国際的大企業の足跡をたどり、従来の切削に基づく減算製造から、粉末ディスク鍛造、3Dレーザー、さらには電子ビーム溶融印刷に基づく付加製造への完全な転換を実現しています。

わが国の国防・軍事産業は、国家の3Dプリント産業化の流れをリードしてきたと言える。残るは、いかにしてコストをさらに削減し、生産を拡大するかだ。

2020年、国家規格管理局は「付加製造規格パイロット行動計画（2020～2022年）」を開始しました。

計画によると、「2022年までに、積層造形専用材料、プロセス、設備、ソフトウェア、試験方法、サービスなどの分野における『パイロット』標準の数は80～100に達し、多数の競争力のある主導的なグループ標準を形成する。（わが国は）有利な積層造形技術と標準のうち2～3つを国際標準として策定することを推進し、積層造形国際標準の転換率は90％に達する」という。

2023年1月、国家発展改革委員会などの部門は「省エネ、炭素削減、リサイクルを調整し、重点分野の製品と設備の更新と改造を加速することに関する指導意見」を発表し、カーボンピークとカーボンニュートラルの目標と任務を実行する過程で、さまざまなリソースの効率的かつ集約的な使用を促進し、新たな産業競争上の優位性を築くための重要な方向の一つとして、付加製造の推進を挙げました。

国家標準局は2月に「2023年国家標準プロジェクトガイドライン」を正式に発表し、付加製造材料、高純度レアメタル材料、高品質特殊鋼などの主要な基本材料規格を制定した。

今後、我が国が3Dプリント産業を公式レベルで標準化・正常化すると、我が国の3Dプリントはメンテナンスなどの面で従来の旋盤の技術的地位を補完、あるいは置き換え、多くの分野で最も重要な製造方法となるでしょう。

終わり

石を金に変え、砂を積み上げて塔を建てることは人類の永遠の夢であり、3Dプリンティングは物理的な意味でこの夢を実現しています。我が国はこの道を猛スピードで進み、他国を追い抜き続けています。それで、私たちに何ができるでしょうか?

私も分かりません。

しかし、AIの発達、ロボットの進歩、スマートフォンの普及、3Dプリントの飛躍的進歩など、誰もが創造性を実現するためのハードルはかつてないほど低くなっています。

アイデアを実現するために、チーム、生産ライン、多数の印刷機、無数のカメラ、衛星アンテナさえも必要ありません。Taobao で関連ストアを見つけてアイデアを送信し、Taobao ストアの 3D プリンターやその他のインターフェイスを利用してアイデアを実現することもできます。

これにより、個人の創造性を実現する上でこれまでにない利便性がもたらされます。

では、この前例のない利便性を活用して、将来的にはより大きな事業に投資してみてはいかがでしょうか?

同志諸君、この時代における科学技術の発展がもたらした利益を大切にし、我々の未来のために新たな星と海を創造しようではないか。

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