李謙: 金属積層造形装置の品質信頼性の探求と実践

2024年付加製造産業発展フォーラムおよび付加製造産業年次会議フォーラムにおいて、工業情報化部第五電子学院設備・完成機械研究所新事業開発部部長の李倩氏が「金属付加製造設備の品質信頼性の探求と実践」と題する報告を行った。

李倩：本日は、当社の年次付加製造イベントに参加し、皆様にご報告する機会をいただき光栄に思います。先ほどご紹介したように、当社は付加製造分野の装置を製造しており、彼らとは緊密な協力関係にあり、彼らは信頼性プラットフォーム全体の構築に参加しました。ここ数年、当社は付加製造装置の品質信頼性に関する取り組みを行っており、皆様にご報告したいと思います。

まず、当研究所について簡単に紹介させていただきます。ここにいらっしゃる専門家やリーダーの中には、当研究所についてあまりよく知らない方もいらっしゃるかもしれません。当研究所は工業情報化部直属の公的機関で、広州に本部を置く研究機関です。品質と信頼性に関する技術研究、検査、試験、および政府支援による政策関連業務を専門としています。

当研究所は設立以来、広州に拠点を置いています。60年近くにわたり、軍事産業から家電機器、民生機器、自動車、そして一般的な原子力分野全体に至るまで、品質と信頼性に重点を置いてきました。いくつかの関連業務を行ってきました。積層造形装置は新興機器です。私たちは約10年前からこの分野と機器製造の品質と信頼性に関連するいくつかの具体的な事柄に注目し、いくつかのことを行ってきました。

本日の報告は4つの側面に分かれています。1つ目は現状の課題です。近年の追跡プロセスで信頼性に関するいくつかのことを学び、発見したので報告します。前述の積層造形の開発特性については紹介しません。多くの専門家が以前から強調していますが、当社のハイエンド、大規模、高速かつ安定した開発では、高い信頼性が当社の設備にとって重要な指標となります。外国の設備と比較して、我が国の設備は機能、性能、精度の面で問題はありませんが、本当に欠けているのは、外国の設備と一貫性のある長期的な安定性と信頼性かもしれません。そのため、今日、信頼性は、特に現地化後の現在の設備の急速な発展を伴い、我が国の設備の信頼性において重要な役割を果たしています。政策の観点から見ると、近年発表された政策では、国が製造業の高品質な発展を重視し、添加剤標準の分野での全体的な行動計画、政策策定計画、および新しい産業の標準化ガイダンスを重視していることが言及されています。それらはすべて、関連する信頼性、安定性、安全性に関する標準を改訂し、品質を向上させるための関連作業を行うことを提案しています。工業情報化部が2023年に発行した製造業評価改善でも、倍増目標が提案されています。この作業では、積層造形を含む設備が2025年までに製品品質の信頼性レベルを2倍にすることを具体的に指摘しています。

では、影響を与える要因は何でしょうか?信頼性は、フロントエンドのデモンストレーションと設計から生産と加工、製造、そして最終的にサービスの使用まで、製品のライフサイクル全体をカバーするシステムエンジニアリングであると言えます。積層造形についても、フロントエンドの設計、材料、加工技術から信頼性への影響まで、積層造形のライフサイクル全体をカバーしています。本日は、さまざまな加工技術が最終品質の信頼性の評価に与える影響を研究する科学技術局のプロジェクトと科学技術部のプロジェクトも紹介します。印刷後の後処理からその後の検証まで、これらすべてが製品の品質と信頼性に影響を与えます。

同時に、別の観点から見ると、中国では基本的に標準が欠如しています。積層造形装置およびレーザー、電子銃など、積層造形に関連するいくつかの典型的なコアコンポーネントに関しては、信頼性の面で基本的にほとんどの標準が欠如しています。少なくとも標準は存在しますが、特に詳細で明確ではありません。

私たちの国では、このような大きな問題がまだいくつか残っています。これには、研究開発プロセス中に性能を重視し、品質を無視する可能性のある問題、標準の欠如の導入、複雑な電気機械設備と光学機械設備が含まれます。信頼性に関連する技術が多く、非常に複雑であり、信頼性技術の基礎と研究の角度はやや困難です。

さらに、設備製造プロセス全体において、品質データの蓄積不足という問題が業界内でも発生しています。最終的には、ライフサイクル全体の観点から、人、機械、材料、方法、環境のライフサイクル全体にわたって信頼性と経済性を確保するシステムが健全ではありません。

上記の問題に対応するため、当社は業務の過程でいくつかの信頼性作業システムを確立しました。技術的な観点から見ると、信頼性作業には、管理から設計分析、実験検証、データ評価まで、合計 32 の関連作業項目が含まれています。現在、軍事産業、航空宇宙などの分野では、これらの 32 の作業項目をさらに多く使用して、ライフサイクル全体のすべての要件を実行しています。ただし、当社の一部の機器では、信頼性は信頼性が高ければ高いほど良いという問題ではなく、コストのバランスの問題です。少し前に家電業界の研究フォーラムに参加し、トイレに関するレポートを作成したばかりです。従来のトイレをスマートトイレに改造しました。スマートトイレの寿命はどのくらいですか？業界は現在、共同で標準を策定中です。6年を超えるのは短すぎるため意味がありません。1年か2年だけでも、製品の使用に対するユーザーの信頼に大きく影響します。なぜ、製品を家に持ち帰ってから2年を6年と設定しているのでしょうか。業界の統計によると、大多数の人にとって、家庭内の製品の装飾サイクルは6年です。彼らは学区の家を購入し、6年間そこに住み、その後引っ越します。次の6年が過ぎると、製品のアップデートの需要があるかもしれません。

信頼性については、高ければ高いほど良いですが、コストとのバランスを取る必要があります。そこで、積層造形装置の特性に基づいて、32 の作業項目の中から管理、設計分析、実験検証、評価と評価からいくつかの作業項目を選択し、いくつかの推奨事項を作成しました。これらは必ずしも実行する必要があるすべてではありません。各サイクルのいくつかのオプション項目と必須項目については、関連する提案をいくつか示します。時間の制約があるため、ここでは具体的な詳細には触れません。これには、決定すべきいくつかの予備要件が含まれます。信頼性を実現したい場合は、目標、達成すべき内容、製品寿命を 5 年にするか 10 年にするかを設定する必要があります。まず、この目標はランダムに設定されません。一連の関連デモンストレーションを通じて信頼性要件を決定する必要があります。次に、要件が設定された後、ライフサイクル全体の管理を含む関連する方法で信頼性を管理する必要があります。ライフサイクル全体で何をすべきかを計画し、それをどのように設計および配布するかを計画する必要があります。信頼性を実践するにはどうすればいいでしょうか?部品サプライヤーをどのように管理しますか?この側面。

管理体制が整った後、先ほど申し上げたように、製品の信頼性は設計、生産、製造され、当社の設計、生産、製造と密接に関係しています。特に初期段階では、設計側で信頼性設計分析を実施すれば、後から使用して繰り返し改善するのではなく、製品の基本的な固有の信頼性レベルを達成できることを保証できます。また、設計の初期段階で信頼性分析を実施するコストも最も低く、関連する設計分析作業項目もいくつかあります。

その後、実験検証を実施します。約束した 5 年または 10 年の設計寿命をどのように検証しますか? 達成できましたか? または、製品の信頼性を向上させ、弱点を特定し、改善後の製品の信頼性レベルを向上させるプロセスでどのようなエンジニアリング実験を使用しますか。製品が使用された後は、動的データを収集して製品の信頼性と残存寿命を評価し、製品の操作、修理、メンテナンスに関する科学的な決定を下します。

そのため、各サイクルの各ステージでは、管理、設計分析、検証などの作業がカバーされます。ここで簡単に説明します。

時間の制約により、設計分析については紹介しません。代わりに、よく使用される 2 つの分析およびテスト方法を紹介します。まず、フロントエンドの指標をいくつか紹介します。信頼性は、実際には定量化できるものです。たとえば、寿命の方がよく知られているかもしれませんが、間隔時間など、一般的な信頼性指標は数多くあります。信頼性は、この側面で品質または信頼性を測定するための特定の定量的指標です。

定量的な指標を使用して具体的な評価を行う場合、まずモデルを用意する必要があります。代表的な劣化特性に対する劣化信頼性の結合確率モデルをはじめ、直列モデルや並列モデルなど、一般的な基本モデルは数多くあります。特に、劣化し、関連のないメカニズムを持つ典型的な製品である積層造形の場合、一般的には結合確率を使用して製品の信頼性モデルを構築します。一部の故障モード影響分析も、モデルに基づいて一般的に使用されます。以前にこれを実行したことがある場合は、コンポーネントとパーツから始めて、製品をボトムアップで分析し、使用中に製品全体に発生する可能性のある故障モードと関連する原因を分析していることをご存知かもしれません。同時に、これらの原因に対する設計改善措置を実行したり、補償を使用したりして、使用中にそれらが排除されるか、影響が最小限に抑えられるようにします。

もう一つの一般的な障害分析方法は、上から下へ分析することです。いくつかの典型的な障害を見つけたら、障害の原因を突き止めます。ケーススタディについては後ほど紹介します。

一般的な実験もありますが、2 種類に分かれています。1 つはエンジニアリング実験で、もう 1 つはデータに基づいて検証する統計実験です。開発プロセスにおける私の目標は、製品の設計上の欠陥を迅速に明らかにすることです。そのため、実験方法は多様で制限がありません。

最後に、ここ数年間私たちが行ってきた実際の作業について、少しご紹介したいと思います。装置を例に挙げると、これらはすべて科学技術部が行っているプロジェクトです。まず、機械全体の分析を行い、装置全体の構造レベルと動作レベルを全体の機能に応じてモデル化しました。分析後、故障モードと故障原因を一つずつ下から上まで実行し、次に故障発生後の影響を、局所的なものから層ごとに、そして最終的な影響まで含め、装置全体の機能喪失や部品の品質安定性の低下などをもたらしました。この分析を通じて、装置の44の故障モードを分析しました。図を示した後、弱点は電子銃の緊急フィラメントであると判断しました。信頼性作業を実行する過程で、コストの問題、技術手段の問題、サイクルの問題により、一つ一つを実行することは不可能です。信頼性のいくつかの重要なポイントを把握する必要があるため、分析を通じて弱点を見つけ出し、弱点を評価するための特定の分析を実行します。たとえば、電子ボックスから始める場合、まず電子ボックスの信頼性モデルを構築し、分解と技術モデルの構築を含めます。次に、その中のすべてのオブジェクトの分布が異なるため、この分布が寿命分析になります。たとえば、ここでの産業用制御電子製品は指数分布に従いますが、一部の機械製品は共通分布に従います。ここで各コンポーネントのモデルを構築した後、各コンポーネントのモデルを、確立した電子ボックスの基本評価モデルに置き換えて、電子銃全体のモデルを取得します。同時に、いくつかのショートボード原理ランダムサンプリングを使用して適合させ、確率故障密度曲線を取得します。モデルに基づいて、いくつかの信頼性検証方法を選択して、製品の寿命を検証できます。

約 480 時間のテストを実施し、寿命は約 400.2 時間という結果となり、製品の信頼性レベルを検証しました。また、緊急用フィラメントの具体的な寿命テストも実施しました。実際の印刷プロセスから得た実際のデータを使用して寿命を適合させました。同時に、故障の具体的な原因を突き止めるために、顕微鏡による故障分析も行いました。

時間の制約があるため、簡単に紹介させていただきます。私たちが設計した緊急フィラメント実験装置を使用して、具体的な実験を行い、フィラメントとガンの圧力、フィラメント電流と垂直電流、寿命の相関関係を取得しました。特性パラメータを見つけた後、方法を組み合わせてモデルを構築しました。最後に、コアコンポーネントを評価した後、マシン全体の評価を開始できます。マシン全体は複雑な装置であるため、上記の各コンポーネントの寿命を使用して、それぞれの寿命と信頼性の分布を取得し、ここでマシン全体の評価を完了できます。マシン全体の評価には、2つの方法が使用されます。1つはシミュレートされたフィールド実験です。初期性能評価、無負荷実験、および最終的なマシン全体の操作印刷実験を含め、ユーザーの使用条件下で取得したいくつかのデータを統計的に分析しました。

これらは、私たちが実施した具体的な手順の一部です。時間の制約があるため、現場では詳しく紹介しません。今がその時です。評価が完了したら、前回の無負荷から機械全体の操作まで、最終的に点推定または区間推定を使用して製品の評価レベルを出します。これが実際に行ったことです。製品の最終的な点推定値は568時間で、区間推定の80％の下限は255時間です。

もう 1 つは、開発プロセス中にいくつかの典型的な加速対話実験も実施したことです。短期間で長期的な結果を得るために、より長い時間やより高いストレスは使用しませんでした。100 時間だけ実行して、1,000 時間の結論を得た可能性があります。これは、レーザーに対して実施した加速劣化実験です。いくつかの関連する劣化モデルを分析し、劣化モデルを見つけて、しきい値を見つけ、モデルに基づいて同等の加速時間を計算して、特定の実験を実施しました。

これは私たちの具体的な例です。最終的に、元のデータの処理を加速した後、モデルを取得して完成させました。最終的に、しきい値は光パワーの 15% の低下に設定され、これが故障と定義されることがわかりました。レーザーの最終的な寿命は 2480 時間でした。

実際には、特定の実験をそれほど長い時間実施していなかったため、一時的に 1 つを加速し、もう 1 つの走査寿命テストを加速しました。ここでは具体的な時間関係については触れません。

これは科学技術局の管轄下で製作した3Dプリントタービンディスクです。エンジン内部のタービンディスクです。シミュレーションと実際の実験を通じて当時の寿命要件も検証し、最終的にタービンディスクの疲労信頼性を計算しました。0.95か0.8かで、どれくらいの期間稼働し、どれくらい信頼できるかがわかります。関連する評価度を計算する方法と、材料レベルの寿命予測モデルを提供しました。

時間の都合上、ここで報告を終えます。機会がありましたら、当研究所にお越しいただき、ご参考やご指導をいただければ幸いです。今後とも、専門家の皆様とさらに議論し、協力する機会をいただければ幸いです。よろしくお願いいたします。

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