彼は30年以上にわたり、ロケット、軍用機、衛星に金属3Dプリントを使用する方法を研究してきました。

彼は30年以上にわたり、ロケット、軍用機、衛星に金属3Dプリントを使用する方法を研究してきました。
出典：北京日報

火は空と大地を照らし、赤い星が紫色の煙と混ざり合います。

偉大な詩人、李白の著作には、数千年前の金属の精錬と鋳造には飛び散る火花と立ち昇る紫色の煙が伴ったと記されています。古代の人々は、数千年経った今日でも、金属がこのように「知的に製造」できるとは想像もしていなかったかもしれません。

中国工程院院士、国家大型金属部品積層造形工程実験室所長、北京航空航天大学先端科学技術イノベーション研究所教授の王華明氏は、チームを率いて航空機用チタン合金などの大型で複雑な部品のレーザー積層造形技術を開発した。合金粉末やワイヤーを原料として、コンピューター制御の下でレーザーを層ごとにスキャンして溶融・凝固・堆積させ、大型で複雑な金属部品の迅速な成形・製造を実現する。

この技術は「金属 3D プリント」とも呼ばれます。

これにより、古代人が描写した「燃え盛る火と立ち上る煙」を伴う金属精錬の光景はもはや存在しなくなりました。高性能コンピュータ、高精度レーザーヘッドのセット、金属部品の積層造形用の大規模な CNC 機械プラットフォームにより、航空機、エンジン、ガスタービンなどの主要な産業機器用の、大型で複雑かつ重要な耐荷重構造を迅速に生産できます。

我が国の主要装備である艦載戦闘機、Y-20大型輸送機、長征5号B大型運搬ロケット、珠栄火星探査車には、いずれも3Dプリント技術を使用して製造された大型の主要金属荷重支持部品が搭載されています。

△大型金属部品積層造形国家工程研究所所長 王華明氏
「天井」に近づく

「金属鋳造は魔法のようで、数千年前の青銅器時代から存在する古代の技術です。現代の科学技術の支援により、この国の主要な設備の未来を変える可能性があります...」王華明氏は、記者を研究室に案内しながら、この「魔法の」技術を紹介した。彼は笑ってこう言った。「私たちは、一年中金属材料を扱う普通の科学技術者の集団です。皆さんが想像するような豪華な研究室はなく、普通のことをやっているだけです。」

王華明さんについていくと、「大型金属部品積層造形国家工程研究室」と書かれた看板のある建物の前に止まった。作業場や工場でしか聞こえない機械の轟音がかすかに聞こえてきた。 「最近、航空機部品の生産のために残業しています」と王華明さんは言いながらドアを開けるボタンを押すと、国家の重要な発明特許を数多く生み出してきた研究室が見えてきた。

これは3階建てで、面積が1,000平方メートルを超える独立した建物です。壁には「国家に奉仕し、使命、革新、情熱、敏捷性、卓越性、超越性」という言葉が書かれた大きな銘板が特に目を引きます。実験室というよりは、ワークショップのように見えます。青い作業服を着た10人以上のエンジニアと技術者が数台の大型機械の間を行き来し、「レーザーに注意」や「標準操作」などの安全に関する注意書きが至る所に見られます。

「この大きなやつは、大型金属部品レーザー3Dプリンターで、専門的には『大型金属部品レーザー積層製造装置』と呼ばれています。多くの金属部品がここで生まれています。」高さ約3メートル、容器のような形をした白い機械の前で、王華明は黒いレーザー防止メガネをかけ、身を乗り出してガラス窓から中を覗いた。プラットフォームの上で、長方形の金属材料の表面で小さな「火花」が動き回っていた。 1 分も経たないうちに「火花」は消え、もともと滑らかだった金属材料の表面に高さ 3 mm のリングが「成長」しました。

指先ほどの大きさではあるものの、「新しい」金属部品はどこからともなく現れたわけではない。王華明氏は最初から辛抱強く説明してくれた。「簡単に言えば、3Dプリントされた金属部品は2つの「成長」段階を経る必要があります。まず、コンピューターでモデルが構築され、次にプログラムによってレーザーが駆動され、層ごとにスキャンして溶かし、構造を形成します。」

彼は任意の対象部品を例に挙げました。まず、一連の平面データを生成するためにモデル図を描く必要があります。 「このステップでは、主にコンピューターモデリングを利用して、対象部品をスライスして層状にします。千層のケーキを作るようなものです。各層は薄いほど良いです。こうすることで、構築された金属体はより高精度になり、表面はより滑らかになります。」王華明はアナロジーを使うのが好きです。彼は、金属製造の研究には、大量の正確なデータのサポートだけでなく、退屈なデータを脳内で鮮明なグラフィックに変換するための豊かな空間想像力も必要だと言いました。

「前段階の作業が主にコンピューターによるデータ処理に依存していたとしたら、最も技術的に進んだ『ハイライト』はここに隠されている」。王華明は記者をハラハラさせ、レーザー防止メガネをかけ、製造プラットフォームのガラスに近づいて注意深く観察するように頼んだ。金属材料の上には、一群のレーザーヘッドが前後左右に絶えず動いており、放出されたレーザーが金属表面に照射されて小さな高温の溶融池を形成し、それが肉眼で見える明るい『火花』である。 「これはレーザーが金属粉末を層ごとに溶かし、固めて堆積させ、新しい形状を形成するものです。初期段階でコンピューターで生成されたモデルデータに基づいてデジタル加工情報を形成し、CNCシステムを使用してレーザーを誘導して金属粉末を放出して溶かし、それを蓄積して新しい金属部品を形成します」と彼は言いました。

△王華明氏と彼のチームは実験室で科学研究について議論した。金属3Dプリントは、一言で説明できるようである。王華明氏はチームを率いて、30年以上にわたってその中核となる重要課題を研究してきた。

1980年代から1990年代にかけて、我が国の金属レーザー積層造形技術はまだ普及していませんでした。世界の一部の先進国では金属部品のレーザー3Dプリントの研究が始まっていましたが、この分野で「大きな成果」を上げることはできなかったのです。データによれば、航空機のチタン合金部品のレーザー積層造形技術の研究は米国が初めて実施したが、印刷された部品が疲労などの性能面で航空機の要件を満たすことができなかったため、2005年末に中止された。

「中国国内に基盤がなく、海外でも成功していない」プロジェクトになぜ注目する必要があるのでしょうか? 「新しい技術の誕生は、古い技術がもはや人々の生産と生活のニーズを満たせないことを反映している」と王華明氏は言う。これは伝統的な金属鋳造と鍛造の技術から始めなければならない。

チタン合金などの高性能大型基幹金属部品の製造技術は、航空宇宙などのハイエンド主要装備製造産業の基礎・中核技術です。従来の金属鋳造および鍛造技術を使用した製造には、材料冶金、鋳造、鍛造などの重工業インフラストラクチャ一式が必要です。製造サイクルが長くコストが高いだけでなく、インゴット冶金および鍛造の原理によっても制限されます。

「大型の鍛造金型の加工だけでも、数ヶ月から数年かかることがあり、1万トンの油圧プレスを使用する必要があります。まず、金型を使用して大型部品のブランクを鍛造し、次に各部品を加工します。最終的に、材料の大部分は切断されて無駄になります。本当に時間がかかり、労働集約的です。」王華明氏は、3Dプリント金属技術が登場する前は、大型の主要金属部品の製造能力と材料の性能レベルはほぼ「天井」に近づいていたと述べました。

「世界最大の8万トン鍛造機で鍛造されるチタン合金部品の最大サイズは5平方メートルを超えません」と王華明氏は例を挙げた。我が国で最も一般的な民間航空機であるボーイング737の翼幅は、モデルによって20メートルから50メートルの範囲である。一体型部品として設計される場合、航空機の重要な荷重支持部品のサイズは非常に大きくなる。彼は両手を広げて身振りで「鍛造機を使ってこのような巨大な装置を造るというのは単なる空想だ」と言った。

小さな部品、大きな進歩<br /> 王華明氏の 3D プリントとの運命は 1989 年に始まりました。当時、彼は中国科学院金属研究所の高温合金研究室で博士研究員として学んでいました。航空機エンジンのブレードをレーザー表面急速溶融法で修復したところ、修復したブレードの性能が元のブレードよりも優れていることを発見しました。 「品質がより緻密になり、強度と可塑性が向上し、壊れにくく、表面が滑らかで、触っても修復の跡が見られません。」王華明氏は、これはレーザー表面溶融処理により材料が急速に高温に達し、その後急速に冷却して瞬間的に固まるためだと説明した。金属の内部構造は非常に細かくなり、化学成分がより均一になり、性能は当然より良くなる。 「当時、レーザー溶融技術を金属部品の製造に本格的に活用すれば、大型装置製造業界に質的なインパクトを与えることができるのではないかと考えていました。」

この考えは常に彼の心の中に残っていた。

1995年、当時北京航空航天大学の教授であった王華明氏は科学研究チームを率いて、チタン合金や超高強度鋼などの高性能金属の大型主要部品のレーザー積層造形技術に取り組み、「金属3Dプリント」の研究開発を正式に開始した。

当初、チームには王華明と実験者の張凌雲の2人の教師しかいませんでした。その後、6人の大学院生が加わり、チームの中核となりました。 「当時、私たちはA4用紙ほどの大きさの二次荷重支持部品を作ることができてとても嬉しかったです。」王華明氏は、当時の難しさは主に、高性能を維持しながら3Dプリントされた金属部品の体積を徐々に増やしていく方法だったと回想する。

王華明氏は記者を研究室の展示ホールに案内し、ドアを開けると、さまざまな大きさの金属部品が数十個、テーブルや床にコンパクトに置かれているのが見えた。大きなものは数人で力を合わせて持ち上げる必要がありますが、小さなものは手のひらに載せて簡単に持ち上げることができます。 「これらの金属部品は私たちの科学研究のあらゆる段階を目撃しており、それぞれに物語があります。」

王華明さんは、長さ約2メートルの長方形の金属部品のところまで歩いていき、しゃがんで前面の不規則な接合部を指差してこう言った。「これは失敗作です。当時はあまりにもせっかちで、大きな部品を早く印刷したかったのです。冷えたときにバタンと割れるとは思っていませんでした。」

金属部品の品質管理は麺を引っ張るようなもので、金属内の構造は小麦粉のようなものです。小麦粉を十分に細かく挽き、十分に均一に練れば、非常に長く引っ張ることができ、金属の可塑性が優れていることを意味します。麺にコシがあれば、金属の強度が高いことを意味します。原理は単純ですが、従来の鋳造技術では、部品が大きくなるほど、金属の冷却速度が遅くなり、組織が粗くなり、化学組成が不均一で密度が低くなり、金属部品のあらゆる面での性能が不十分になります。同様に、3D プリントを使用して金属部品を製造する場合、サイズが大きいほど内部の熱応力が高くなり、印刷プロセス中に変形したり割れたりしやすくなります。また、凝固、結晶化、冷却プロセスの制御が不十分な場合も、冶金上の欠陥につながる可能性があります。

「一気に大きくする」のはうまくいかないので、チームは「小さく始めて」、手探りで一歩ずつ前進することにしました。手のひらサイズの金属部品の場合、チームはまずその 4 分の 1 から始めます。継続的な実験を通じて、レーザー スキャンの軌道を制御し、熱膨張と収縮による部品の変形や亀裂を回避するために、熱応力の臨界点を探します。そして、パーツのサイズは、半分またはセクションから始めて、徐々にフルサイズに移行しながら、少しずつ拡大されます。

3D プリントされた金属部品はすべて、たとえそれが単なる手順上の結果であっても、厳格な開発プロセス検査を受ける必要があります。 「他社は1回テストしますが、当社は10回テストする必要があります。」王華明は笑顔を消し、真剣な表情で言った。「将来、これらの部品は航空機、船舶、ロケットなどの主要設備に搭載されます。安全性と密接に関係しており、間違いは許されません。」

実験は一度始まると20日間以上中断することはできない。3Dプリントされた金属の変形や割れの具体的な原因を突き止めるため、王華明氏とチームメンバーは交代で、24時間プラットフォームを見つめ、いつでもモデリングデータを調整している。 3D プリントの難しさのせいで、プリント開始から 10 日以上経つと、部品の内部応力が大きくなりすぎて突然割れてしまうことがよくあります。チームは原因を突き止めて、最初からやり直さなければなりません...

努力は報われる。 2005年6月、王華明氏のチームが開発した中国初の3Dプリントチタン合金製小型部品が航空機に搭載された。 「これはJ-11Bの中でも特に小さな部品だ。小さいとはいえ、これを航空機に使用できるのはわが国にとって画期的なことだ」と王華明氏は語った。これは、チームが金属 3D プリント技術において画期的な一歩を踏み出したことも意味します。

C919の「ビッグガイ」
手のひらサイズにも満たない金属部品を3Dプリントする段階から、投影面積が2桁の「大きな部品」をプリントできるようになるまで、チームは20年近くを要した。

「上海虹橋国際空港を離陸した中国東方航空MU9191便は北京首都国際空港に無事着陸し、国産大型航空機C919の初の商用飛行が無事終了した」。5月28日正午、王華明氏はインターネットに溢れるこのニュースを見て興奮した。「C919はまさに私たち全員の夢を乗せて青空に飛び立った」。同氏は、C919の試作機と量産モデルの製造に金属3Dプリント技術が使用されたことを紹介した。チームは、C919のチタン合金製のメインフロントガラス一体型窓枠を作るのに55日を要した。この「大きなもの」の重さはわずか20キログラムほどで、大人でも簡単に持ち上げられる。

「当時の状況では、厚いチタン合金板を使いたくても、当社にはそのような厚い板を製造する能力がありませんでした。欧州に鍛造できる会社はありましたが、部品の製造サイクルに2年かかり、まず金型代として200万ドルを支払わなければなりませんでした。」他社に依頼するにはコストも時間もかかります。最終的に、王華明氏のチームは3Dプリントを使用して窓枠を完成させました。印刷、熱処理、性能テスト、非破壊テスト、CNC加工、テストから輸送と配送まで、製造サイクル全体には55日もかからず、コストは鍛造金型の10分の1以下でした。

王華明は、彼が軽く語った55日間の背後にある苦難についてはほとんど語らなかった。

その年の春節を前に、部品の開発は段階的な成果を上げようとしていました。 「当初の目標は旧暦の12月20日までに完成することだったが、さまざまな小さな問題が次々と発生し、プロジェクトは大晦日の午後まで延期された」と王華明氏は振り返る。大晦日には、正月のために故郷に帰るはずだったチームメンバー全員が切符を買って帰った。積層造形工程を担当する張淑全氏は、駅に行く前に機械のCNCステートメントとボタンに注意深く印を付け、実験室で当直していた方延立氏に機器の操作手順を教えた。 「私を含めて、チームには技術者が 3 人しかいません。プリンターから部品を取り出す作業を手伝ってもらうため、Beihang Machinery Factory から経験豊富な技術者 3 人も招待しました。」

大晦日の7時か8時ごろ、ようやく部品が印刷されました。しかし、喜ぶ間もなく、新たな問題が浮上した。「レーザー印刷は極めて高温であるため、生産完了後すぐに部品を炉に入れて応力を緩和する必要があります。そうしないと、部品が割れやすくなります。しかし、部品が大きすぎて重すぎるため、職人は最善を尽くしましたが、それでも炉に入れることができませんでした。」このとき、春節の爆竹の音がすでに鳴り響き、ようやく完成した巨大なものを前に、誰もが喜ぶべきか悲しむべきか分からず途方に暮れていた。

「まずは家に帰ろう」王華明はしばらく落ち着いてから決断した。その後、張氏は記者団に次のように説明した。「当時、誰もが警戒を強めていました。日勤は10時間以上連続で働き、夜勤は数か月間太陽を見ない日でした。方延里さんは出産の2日前まで職場に残りました。彼女は生後1、2歳の子どもを職場に連れてきました。設備が十分ではなかったため、張淑全さんは地面にしゃがんで数時間印刷工程を観察していました...」大晦日には、家族から夕食会のために帰宅するよう促す電話が次々とかかってきて、王華明さんはこれ以上誰も留守番させるのに耐えられなくなりました。

チームメンバーを一人ずつ退出するよう説得した後、王華明は散発的に聞こえる爆竹の音だけを聞くことができた。 「心が空っぽで、しわが寄っているような気がして、どうすることもできません。」結局、大型部品のストレスを軽減する方法は誰も見つけられず、運に頼って、部品が冷めた後、どのように見えるかを待つしかありませんでした。新年の初日の早朝、王華明は最初に研究室に到着し、部品がきれいに3つに分割されているのを発見した。

「これがテクノロジーのやり方です。困難や問題はどこにでもついて回ります。失敗するとしばらく落ち込みますが、その後立ち上がって仕事を続けるのです。」王華明氏は、その後チームは大型部品の内部応力が高く割れやすい問題を解決するために他の多くの方法を試したが、すべて失敗したと語った。ある日突然、誰かがひらめきを得て、物理学の非常に単純な原理を思いつきました。それは、まず全体を部分に分割し、次にその部分を合計し、最後に内部応力の離散化を達成するというものでした。

2012年に国家科学技術発明賞の一等賞を受賞し、2013年には千人計画の「科学技術革新のリーダー的人材」に選ばれ、2015年には中国工程院の院士に選出されました。王華明と彼のチームは、チタン合金の大型で複雑な一体型部品のレーザー積層造形技術を頼りに、数え切れないほどの拍手、花束、栄誉を獲得してきました。

「材料の研究は決して報われることのない仕事です。多くの専門家が一生かけて研究した成果が、役に立たないこともあります。私たちが製造した部品が人々の目に触れ、私たちの夢を空や海に運ぶことができるのは、とても幸運なことです。今考えてみると、あの苦労は報われました！」

現在、チームは国内の主要装備開発の戦略的ニーズと先進材料製造技術の国際フロンティアに焦点を当て、新世代の高性能金属構造部品や主要装備の大型キーコンポーネント向けの効率的で低コスト、高精度の積層製造技術の研究と応用を行っています。

王華明氏には、3Dプリントを単なる金属製造の手段以上のものにするという夢もあります。「温度、流れ、結晶化状態を制御し、最終的には新しいレベルの強度、靭性、品質、寿命を備えた新しい材料を開発することができます。」彼は、「将来、金属3Dプリントは、大型部品製造業界に固有の大きくて重く高価な外観を変えるだけでなく、何千もの家庭に入り込み、より多くの人々に利益をもたらすでしょう。」と述べました。

現在でも、王華明氏は科学研究と教育の最前線に立ち続けています。 「苗木が芽生えるように部品が1ミリずつ成長していくのを見るのは素晴らしい気分です」と彼は微笑みながら、科学研究の道もこれと同じで、一歩ずつ進み、初心を貫き、傲慢になったり焦ったりしてはいけないと語った。


王華明、金属、ストレス

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