1兆ドル規模、3Dプリント技術は中国の製造業の「心臓病」を克服できると呂炳衡院士は語る

出典: New Materials Online

学術委員の呂炳衡氏は「中国の3Dプリントのゴッドファーザー」として知られている。彼は体内に心臓ステントを4つ入れているにもかかわらず、中国の3Dプリント産業の発展促進に常に尽力しており、毎日大忙しだ。

「中国の製造業の規模は3兆ドルに達すると予想されており、3Dプリントによって創出される価値は世界の3分の1、つまり約1兆ドルを占めるだろう」。白髪頭の呂炳衡院士は、3Dプリントの発展の青写真を説明するとき、エネルギーに満ちていた。

スケジュールが厳しかったため、会話はわずか1時間強しか続かなかった。しかし、3Dプリントが製造業に与える影響、その技術的優位性、現在の発展状況、欠点、将来について語るとき、彼の目は時には輝き、時には不安に、時には熱心に見えた。

1兆ドル規模<br /> 中国は1996年に3Dプリントの世界に参入した。今年は、陸炳衡氏の3Dプリント研究プロジェクトが科学技術省から支援を受けて2年目となる。

24年後、世界は劇的に変化し、中国の3Dプリント産業は繁栄しました。当時は好まれなかったこの科学研究プロジェクトは、呂炳衡の強い主張により継続することができました。陸炳衡氏はすでに、それが製造業にとって重要な意味を持つことを予見していた。

彼は3Dプリント業界の発展のスピードに大喜びしています。過去10年間、国内の金属3Dプリント機器の成長は、3Dプリント業界が急速に発展しているという事実を裏付けており、2019年には2018年と比較して300％増加しました。世界全体で見ると、年間成長率は20％～30％に達しています。

技術的な観点から見ると、製造は付加的、等方的、減算的の 3 つのタイプに分けられます。陸炳衡氏は、これら3つの技術が将来世界を3つの部分に分割し、中国の製造業の価値が約3兆ドルに達し、そのうち積層造形が1兆ドルを占めると予測している。

新興技術である 3D プリンティングが、なぜ一夜にして 3,000 年の歴史を持つ「等材料製造」や 300 年の歴史を持つ「減法材料」製造と同等になることができるのでしょうか。製造業において、どのような「魔法」があるのでしょうか？おそらく、陸炳衡氏は30年以上前にアメリカの自動車会社でこの技術を初めて見たときに答えを見つけたのだろう。

「3Dプリンティングは製造業の品質と発展レベルの向上に貢献できる。中国製造業の『心臓病』を克服できる」と呂炳衡氏は語った。

航空機の「心臓部」であるエンジンは、製造において大きな困難を伴います。しかし、3Dプリンティングの出現は重要な転換点となりました。 Lu Binheng 氏のチームは、航空機エンジン企業と協力して 3D プリント技術を使用してブレードを製造し、エンジニアリングの検証を行っています。

航空機エンジンブレードは、従来、精密鋳造法を使用して製造されており、精密鋳造金型を使用する必要があります。ブレードの形状が複雑なため、複数のコアとシェルに分割して組み立てる必要があり、非常に困難です。組み立て時の隙間により、複数の部品の組み立て精度の確保が難しくなり、取り付け誤差が発生します。特に、注入工程では、金属溶液の浸食によりコアの位置が変わり、最終的にはインペラの製造誤差につながり、無駄が発生します。

3D プリントを使用することで、鋳造金型を一体で印刷できるため、無駄がなくなり、ブレード鋳造の一貫性が確保されます。従来のプロセスでは、ブレード鋳造のスクラップ率は 60% にも達します。対照的に、3D プリントでは成功率が 80% 以上に向上しました。

3D プリンティングは、製造製品や機器の革新的な設計を促進します。

「良いデザインが必ずしも実現できるとは限りません。一部の部品は従来の技術では実現するには複雑すぎます。3Dプリントはデザイナーの欲しいものを手に入れたいという欲求を満たし、イノベーションの余地を大きく広げます」と呂炳衡氏は興奮気味に語った。

アメリカのGE社は、この点ですでに好機をつかんでいる。業界で3Dプリントを初めて採用した企業として、同社は3Dプリント技術を使って航空機エンジンの燃料噴射装置を製造しようとした。その結果、従来のプロセスでは20個以上の部品を1つの部品に印刷する必要があり、燃料噴射装置の一貫性が向上し、燃焼効率が大幅に向上した。

「3Dプリントは製造業にとって材料の節約にもなります。」一部の分野では材料の利用率が高くありません。例えば、航空宇宙産業の一部の部品では、従来の方法で減算を行っています。多くの部品の製造過程で、一部の材料は97％もカットされ、膨大な無駄が生じています。 C919 のメインビームは、大きくて複雑な薄壁コンポーネントであり、切断時に材料の最大 95% が切断されます。

「3Dプリントを使用すれば、カットする必要がほとんどなく、必要な場所に材料を印刷できるため、材料を大幅に節約できます。」

3D プリントが製造業に与える影響は疑う余地がありませんが、材料、コスト、印刷速度などの制限があるため、この技術はハイエンドの製造業でしか使用できないと考える人が多くいます。

陸炳衡氏は「技術の発展に伴い、さまざまな高効率かつ低コストの印刷方法が絶えず登場しており、3Dプリントは徐々にパーソナライズの分野から大量生産へと移行していくだろう」と反論した。

印刷材料は、次の開発の焦点です。<br /> 高度な製造を実現するには、まず材料が重要です。

中国における 3D プリントの開発の初期段階では、技術の追跡が中心でした。この段階では、印刷設備とプロセスに重点が置かれていますが、印刷材料の準備に関する研究と最適化は比較的弱いです。

3Dプリント技術の発展に伴い、3Dプリントの需要は製品開発段階から複雑な製品の小ロット製造段階へと高まり、製造業界では3Dプリント材料の品質と性能に対する要求がますます厳しくなっています。

関連データによると、現在の国内の基本的な3Dプリント材料は、基本的に国内設備の積層造形ニーズを満たしていますが、高性能金属粉末は依然として輸入に依存しています。国産材料は、純度、粒子サイズ、均一性、球状化、酸素含有量などの原材料指標の点で、外国産材料と依然として大きな差があり、印刷製品の性能に大きな影響を与えています。

原材料を輸入に頼っているため、必然的に他者からの支配を受けてしまいます。材料価格の高騰は、3Dプリントの市場への応用と推進の障害となっています。

2021年7月7日、「大国の才人」のインタビューを受ける前に、陸炳衡は甘粛省金昌市に飛んだ。 Lu Binheng氏のチームは、3Dプリント金属粉末材料の製造において地元の上場企業との協力について話し合っている。

陸炳衡氏のチームは新しい技術動向を注視し、現在中国と海外で利用可能な最新の第3世代粉末製造技術を開発しました。先進的な高周波プラズマ技術を使用して製造された粉末は純粋で固体であり、母子球がなく、優れた性能を備えています。

Lu Binheng 氏は、この新しい技術を「Great Power Materials」に熱意を持って紹介しました。この粉末製造技術の温度は非常に高く、さまざまな金属、セラミックなどの粉末の製造に適しています。

「しかし、航空宇宙産業のように、すべての応用分野で部品の強度や耐疲労性に対する要求が高いわけではありません。エアロゾル法とスピニング法で製造された粉末は、それぞれ独自の市場での位置づけを持っています。」

現在、新しい合金材料の開発における先進技術は材料ゲノム設計ですが、理論的な設計はまだ検証が必要です。従来の冶金プロセスは時間がかかり、コストがかかるため、新しい材料の作成が困難です。 Lu Binheng 氏は、3D プリントを材料ゲノム設計ソリューションの検証プラットフォームとして使用し、新しい合金の研究開発への道を開くことを提案しました。材料と構造を真に融合する革新的な方法は、機器製造の発展を大きく促進するでしょう。

「3Dプリント材料の研究は、科学研究と産業発展の両面で間違いなく次の焦点となるでしょう。」

標準は未来の礎です<br /> 国内の3Dプリント産業は徐々に発展してきましたが、Lu Binghengは常に国際レベルとのギャップを注視してきました。

3D プリントでは何を印刷できますか? ３Ｄプリンターで印刷された装飾品が国内市場に投入される一方、海外の民間企業では既にロケットの製造に利用し始めている。海外メディアの報道によると、3年前に設立されたRelativity Space社がまさにそれを行っているという。

彼らは、部品の95%を3Dプリントで製造した中型軌道ロケットを製造しており、従来の製造方法に比べてロケット部品の生産量が100分の1になる予定だ。エンジンのインジェクターとチャンバーは、3D プリントされた部品 3 つだけで構成されていますが、これらの部品を従来の方法で製造するには、約 3,000 個の部品が必要でした。

ロケット製造のスピードは特筆に値します。ロケットは「原材料の山」から「発射台上」への変換を 60 日以内に完了できます。

「中国3Dプリントのゴッドファーザー」として、陸炳衡氏は3Dプリントと空間の関係についても考えてきた。彼は「宇宙3Dプリンティングのビジョン」を提唱し、「宇宙を製造拠点として利用する宇宙3Dプリンティングは遠い概念ではなく、緊急の目標です！」と語った。

宇宙探査において、打ち上げコストは非常に重要なコストです。宇宙船を月で製造して打ち上げれば、地球上での打ち上げに比べてコストを数十分の一程度削減できる可能性がある。さらに、宇宙での 3D プリントには多くの利点があります。真空中でのプリントでは酸化が起こらず、太陽エネルギーも豊富です。さらに、宇宙には重力がないので、非常に小さな設備を使って大きな部品を製造することができます。 Lu Binheng 氏は宇宙での 3D プリントのビジョンを描きます。

しかし、実際にロケットをプリントするためには、データの標準を含めた標準システムを確立する必要があります。「諸外国はデータ標準について多くの研究を行っており、我々もデータ標準の構築作業を積極的に強化する必要がある。」

陸炳衡氏はデータ標準の構築について常に懸念しており、これまで参加したフォーラムでその緊急性を繰り返し強調してきた。

3D プリントのデータ標準の確立はどれほど重要ですか?

過去 30 年間の発展を通じて、3D プリンティング業界ではさまざまなプロセス、材料、機器が生まれてきました。しかし、統一された標準がないため、協力する際にデータの統一性が不十分であるという問題に直面し、応用や開発に困難が生じます。

データ標準により、企業はビッグデータ分析を通じて最適なプロセスを発見し、プロセスパラメータを最適化できるようになります。データフローを実現することで、中小企業がこれらのプロセス知識を習得する際に直面する困難を解決できます。「この基準をクリアした者が主導権を握ることになる」

「国内標準構築の進捗状況は、依然として議論の段階にあることが多い」と呂炳衡氏は述べ、これまでは誰もが標準とは資料を集めて議論することだと理解していたが、実際には多くの実験とデータ分析と研究が必要だと語った。

「標準策定の作業は徐々に進んでいます。現在、中国には標準策定を推進するための付加製造の専門標準委員会があります。企業、団体、業界、国の標準を一緒に推進し、できるだけ早く標準システムを決定する必要があります。」

中国の 3D プリントのゴッドファーザー<br /> 中国の3Dプリント産業は力をつけているが、呂炳衡さんはだんだんと高齢化している。

現在70代のLu Binhengさんは、若い頃と同じ情熱を持って、今でも3Dプリントのために奔走しています。

仕事のスケジュールは毎日とても詰まっています。70歳を超えるこの老人は、10年以上前に体内に4つの心臓ステントを埋め込みました。

業界では、Lu Bingheng 氏は「中国 3D プリントのゴッドファーザー」として知られており、この称号には歴史があります。

高校生の頃、呂炳衡は野心的な若者でした。当時、国は最も困難な時期にあった。彼は新聞や感動的な記事を読みながら、黒まんじゅうを食べていた。「努力して進歩しよう」という言葉が彼の心に刻まれていた。

陸炳衡さんは、当時ロケットが非常に進歩していると感じ、ロケットの研究を志望しました。しかし、当時の家庭環境により、機密保持専攻に志願することができず、機械製造を学ばなければなりませんでした。

卒業後、私は工場で労働者として働きました。そこでの仕事は楽でした。ここは楽器を作る工場です。1日8時間の作業をたった2時間で終わらせます。残りの時間はただおしゃべりしたり遊んだりするだけだった。生活は楽だったが、彼はいつも悩んでいた。10年以上の懸命な勉強を無駄にしたくなかった彼は、常に成長の機会を見つけたいと思っていた。改革と発展はチャンスをもたらした。30代で彼は修士号と博士号を取得するために勉強に戻り、科学研究を行うために学校に残り、学んだことを有効活用した。

1990年代初頭、彼はアメリカの自動車会社を訪問し、3Dプリント技術が瞬時に部品を生産する様子を現場で見て、この技術が中国の製造業にとって重要な価値を持つことを認識した。中国に帰国後、彼は残っていた10万元以上の研究資金をすべて投資し、海外で3Dプリンティングの研究開発に取り組みました。

彼は数人の大学院生を募集し、仕事に取り掛かりました。多くのクラスメートは、数百万ドルがなければこれは達成できない、時間とエネルギーを無駄にしてはいけないと彼にアドバイスしました。しかし、Lu Bingheng 氏は 3D プリントの産業応用における価値を固く信じており、研究する必要があると感じ、頑固に研究を続けました。同時に、国家レベルでの支持を得る機会も模索している。

1994年、科学技術省は先進製造技術に関する会議を開催しました。慣例により、当時准教授だった彼には講演の予定はなかった。幸いにも、この会議は彼に自由に話す機会を与えた。陸炳衡は興奮して壇上に上がり、何百人もの科学研究者の前でこの先進的な製造技術を紹介した。

会議の後、科学技術部の秘書長は陸炳恒を見つけ、提案書を作成できるかどうか尋ねました。陸炳恒は興奮して同意し、その日の夜にそれを提出しました。

当時はあまり期待していなかったが、半月以上経って科学技術省が彼のプロジェクトを査察する準備をしているという通知を受け取った。チャンスは準備している人にやって来る。検査に合格した開発済みのプロトタイプのおかげで、Lu Bingheng は希望通り国家レベルの支援を得ることができた。

こうして、Lu Bingheng 氏は 3D プリント事業にどっぷりと浸かることになりました。 SLA機器が急速に開発され、我が国の技術が企業の製品開発に応用されるようになり、中国の3Dプリンティングは順調なスタートを切りました。

あっという間に20年以上が経過し、中国の3Dプリント業界は急速な発展を遂げました。陸炳衡の頭の中には、3Dプリントがさまざまな業界で応用され、「3Dプリント+」を形成するという絵がある。「『3Dプリント+』の分野は、製造業に多くの革新をもたらすでしょう。これが将来の発展のトレンドです。」

陸炳衡さんは70歳を超えても、いまだに水泳の習慣を保っています。彼と話をしていると、彼の反応速度や思考が依然として非常に速く明晰であることが容易にわかります。

彼の願いは、まだできるうちに、3D プリンティングのためにもっと価値あることをすることです。「この国は長年、多くの浮き沈みを経験してきました。今、私たちは素晴らしい機会に恵まれています。この機会を捉えて、うまくやっていくべきです。これ以上時間を無駄にすることはできません。」

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