中国科学技術イノベーション院士王華明氏：3Dプリントは主要設備製造業界にとって新たなチャンス

出典：中国科学技術イノベーション

「中国の科学技術イノベーション：学者講演」第9回では、中国工程院の学者であり、北京航空航天大学材料科学工学学院教授、大型金属部品付加製造国家工程実験室所長の王華明氏を基調講演者として招き、付加製造技術が主要設備の構造、材料、製造に与える影響についてお話しいただきました。

複雑な3次元の問題を平面化する

3D プリンティングとしてよく知られている付加製造技術は 1980 年頃に発明され、コンピューター技術のおかげで製造プロセスをデジタル化できるようになりました。王華明院士は、積層造形とは部品を無限の平面に分割し、複雑な三次元部品を二次元平面の問題として解決することだと結論付けた。主に溶解などの方法を利用して材料を一層ずつ積み重ね、物理的な物体を作り出す。

材料に応じて、積層造形は非金属積層造形（セラミックスやポリマーを含む）、金属積層造形、生物組織積層造形に分けられます。

その中でも、金属積層造形は大きな注目を集めています。王華明院士は、金属積層造形の2つの方法を紹介した。1つは粉末床選択溶融法または粉末積層法で、航空機エンジンの燃料ノズルやチタン合金の生体インプラントなど、非常に複雑な構造を作ることができる。

もう1つは同期式粉末供給/ワイヤ溶融堆積であり、エンジンの一体型ブレード、超高強度鋼の着陸装置などの大型部品を迅速に生産できます。

材料冶金の限界を突破

大型の主要荷重支持部品の製造は、原子力発電所、高速鉄道、航空機、打ち上げロケットなどの主要設備の製造の基礎となります。王華明院士によると、主要設備の重要な荷重支持部品は一般的に金属で作られているが、伝統的な冶金/塑性成形技術の「原理」的制約により、主要設備の大型の重要な金属部品の製造能力と材料特性は限界に達している。今後の主要設備の発展は、大規模、高性能、極限サービス、高信頼性、長寿命、低コストの傾向を示し、厳しい要求がある。「これは実際に私たちが直面している課題です」と王華明院士は述べた。部品が大きくなると、冷却速度が遅くなり、結晶が粗くなり、化学成分が不均一になり、密度がまったくなくなります。鍛造でしか改善できませんが、改善方法は限られています。

付加製造は「材料冶金の天井を突破」し、急速冷却を実現し、伝統的な鍛造冶金をマイクロエリア冶金に置き換えます。金型、鍛造設備、鋼鉄や鉄の精錬は不要です。製造後、少量の加工で最終部品が得られます。

原則として、すべての金属は積層造形に適しています。しかし、王華明院士は、現段階では、部品が大きく、複雑で、高性能であればあるほど、3Dプリントを使用する利点が大きくなると考えています。通常のネジなどの部品を作る場合は、従来の方法の方がコスト効率が良いです。

大型金属部品の製造におけるボトルネック

本当に積層造形法を使って大型金属部品を製造し、その応用を実現したい場合、ボトルネックはどこにあるのでしょうか?王華明院士は、考慮すべきいくつかの問題について言及した。

まず、3Dプリント中に長時間の激しい加熱や冷却により非常に大きな熱応力が発生し、部品が変形したり割れたりしやすくなります。積層プロセスにおける熱応力をどのように制御するかは基本的な問題であり、最も難しい問題でもあります。

第二に、3D プリントのプロセス中に、冶金、凝固、固体相変化を制御してコンポーネントの品質をどのように確保できるでしょうか?欠陥が発生した場合、どのように検出しますか? 「これが核心だと思います。このプロセスを制御できなければ、生産される部品の品質は悪くなります。品質が悪ければ、いくつかの重要な部品には使えなくなります」と王華明院士は語った。

繰り返しになりますが、安定した生産を確保するには、プロセスを適切に制御し、習得する必要があります。

さらに、対応する技術基準を確立する必要があり、「標準は適用のパスです。」

最後に、適用する技術はいずれも費用対効果が前提条件であり、低価格、高効率、短サイクルを実現する必要があります。

主要機器製造業界への影響

王華明院士は、3D プリント技術が主要な機器製造業界に次の 3 つの影響を与えると考えています。

1. 設備構造を変更する。積層造形は 3 次元の問題を 2 次元として扱うため、部品のサイズ、形状、寸法は理論的には制限されなくなります。この意味で、将来の装備の構造は変化するだろう。「将来的には、航空機の胴体全体が2つの部分に分かれるようになるかもしれません。これは神話ではありません。実現可能だと思います。」

2. 機器の材質を変更します。 3Dプリントのプロセスでは、任意の部品の化学組成をポイントごと、層ごとに変更することができ、各ポイントの温度と冷却速度を制御することもできるため、部品の異なる部分に異なる特性を持たせることができます。これは非常に簡単です。また、このような極限の冶金条件を利用することで、現在の冶金原理に縛られない、新世代チタン合金、新世代超高強度鋼など、新世代の金属材料が開発されることが期待されており、これも王華明院士チームの研究方向です。

3. 大型設備の生産モデルの変革3Dプリンティングはデジタルモデルを直接部品に変換するため、従来の冶金・鍛造産業が不要となり、設備開発モデルに変化をもたらします。「おそらく、将来の機器はカスタマイズされ、少量生産されるようになるでしょう。特定の目的のために1台か2台の機械を製作し、製作後すぐに改造するかもしれません」と王華明院士は想像した。

王華明院士は、主要機器に付加製造技術を活用する未来は間違いなく明るいと強調したが、「大型の主要部品の製造において3Dプリントの利点を真に生かすには、まだ忍耐強く、詳細かつ徹底的な研究を重ねる必要がある」と述べた。

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