金属3Dプリント技術が役立つ：中国の大型航空機がまもなく納入される、その背後には50年にわたる努力と追い上げがある

出典：北京ニュース

国産大型航空機の実用化まであと一歩です。

上海両会において、上海市政治協商会議委員で上海商業航空公司の主任会計士である呉永良氏は、C919は現在耐空証明段階にあり、2022年に納入される予定であると述べた。

C919は、国際先進耐空基準に完全に準拠して開発され、完全に独立した知的財産権を有する中国初の単通路大型旅客機です。機首、胴体、翼、翼に取り付けられたエンジンの設計はすべて中国自身のチームによって完成された。大型旅客機の全体設計の主要技術に関して、C919は100以上のブレークスルーを達成しており、これは数え切れないほど多くの中国の科学者による数十年にわたる努力の成果である。

国務院が大型航空機重点特別プロジェクト指導小組を設立して以来、C919などの国産大型航空機の開発は15年にわたって進められており、前世紀の大型航空機プロジェクト「雲10」から50年が経過した。

最近、国産大型航空機の研究開発に参加した2人の学者が同じ科学プログラムに参加することは珍しいことだ。 Douyinと中国科学技術協会の「中国科学技術イノベーション」が共同制作したプログラム「アカデミー会員講演」では、中国科学院の曹春暁院士と中国工程院の王華明院士が、C919の製造に使用されたチタン合金と金属3Dプリント技術の応用を普及させ、国産大型航空機の背後にある技術革新の困難な過程を垣間見ることができた。

国産大型航空機をチタン合金に置き換える

2006年、国務院は大型航空機計画実証委員会の設立を承認し、曹春暁は航空材料研究に従事する唯一の委員であった。国産大型航空機プロジェクトが始動した後、曹春暁氏は専門家諮問委員会の委員を務め、全国を巡回した。この大型航空機プロジェクトには民間モデルと軍用モデルが含まれており、民間旅客機のコード名はC919です。

航空機の自重は軽ければ軽いほど良いです。航空機の総離陸重量に対する航空機の自重の割合は、「航空機の構造重量係数」と呼ばれます。過去 70 年間、構造重量係数が 27% 未満の航空機はありませんでした。これは、大型部品の性能と製造能力によって制限されています。チタン合金素材が鍵となります。チタン合金材料と鍛造技術を改良することで、航空機の構造重量を軽減し、競争力を向上させることができます。

現在、経済性に対する要求が高いC919では、米国のボーイング777で使用されている7.5%に匹敵する8%のチタン合金が使用されています。大型航空機の製造は、極めて高度な技術要件を備えた大型鍛造品と切り離せません。「学者講演」の欄では、曹春暁氏がC919に使用されているチタン合金鍛造ジョイントを実演した。このジョイントはTC4と名付けられ、重量は600キログラムである。同様の鍛造品を製造するために、中国は世界最大の8万トン油圧プレス機を建造した。

出典：Douyin「学者講義」第5話

2015年11月、我が国の独自の知的財産権を有するC919が上海の生産ラインから出荷され、正式に世界に向けて公開されました。曹春暁はこの光景を見て非常に興奮した。40年以上の夢がついに実現したのだ。

2017年5月5日、C919大型旅客機が上海で初飛行に成功しました。 2021年3月にC919が初受注を獲得した。 2022年初頭時点で、C919は815機の注文を受けている。

C919のロールアウト現場にいる曹春暁院士（左から4人目）

3Dプリント技術がカーブを越える

改革開放後に科学研究分野に参入した中核勢力として、王華明院士は3Dプリント技術を使って材料鍛造問題を解決することに尽力しており、国産大型航空機の開発でも重要な役割を果たしてきた。彼は50歳で、22年間金属3Dプリントの分野を研究しています。

「3D プリンティング」は業界では「付加製造」というより学術的な名前で呼ばれています。 1980年頃に誕生したこの製造技術は、コンピュータの発明によりデジタル化されました。原理は、部品を無限の数の平面に分割し、3 次元の複雑な部品を 2 次元平面の問題として扱うことです。

いわゆる「付加製造」とは、高等数学の定積分のように、原材料を層ごとに追加して新しい材料を作ることを意味します。積層造形とは、粉末や線材などの原材料を溶融プロセスで合金化・固化させるプロセスです。同時に、プラスチックフィルムは直接部品に変わります。材料準備プロセス自体が複雑な部品を製造するプロセスであり、その間に伝統的な冶金産業や伝統的な鍛造産業のプロセスは必要ありません。

出典: Douyin「学者講義」第9話

王華明院士のチームが開発したレーザー積層造形技術は、国産の大型航空機や新型戦闘機に重要な大型応力支持部品を提供します。「私たちのチームが本当に目指しているのは、マイクロエリア冶金のプロセスを制御し、高品質の材料を生産し、材料の特性に質的な変化をもたらすことです」と王華明氏は語った。

「学者講演」では、王華明氏は困難な問題に取り組んだ経験も共有した。アメリカなどの海外の技術チームが初めて、チタン合金部品の製造に積層造形法を採用しようと試みました。しかし、疲労性能が十分ではありませんでした。さまざまな方法を試しても、まだ改善できず、2005年頃にこのアプローチを断念しました。王華明氏のチームは粘り強く努力を続け、海外より遅れてスタートしたにもかかわらず、最終的には大型航空機に使用できる主要部品を生産するに至った。

出典: Douyin「学者講義」第9話

2007 年以来、王華明氏のチームは、非常に複雑なコンポーネントを数多く生産してきました。「以前は、私たちの主任エンジニアは、非常に優れた構造を設計できたのに、私たち製造担当者はそれができなかったため、頭を悩ませていました。今では、この制約を取り払い、自由に設計することができます。私たちはそれを実現する方法を見つけます。もちろん、設計者のペースに追いつくことは決してできないかもしれませんが、手放すことができます。少なくとも、改善の余地はたくさんあります」と、王華明院士は語った。

C919を例に挙げると、機首のメインの風防窓枠は王華明院士のチームによって開発されました。この部品はサイズが大きく、形状も複雑なため、国内航空機メーカーの従来の方法では生産できません。欧州の企業でも製造は可能だが、サイクルが長く、納品までに2年かかるほか、金型のコストが1個あたり50万ドルと高価だ。

2009年、王華明氏のチームは3Dプリント技術を使用し、55日かけてC919のチタン合金製メインフロントガラス一体型窓枠を製作した。コストは欧州の鍛造金型費用の10分の1以下だった。

瀋陽航空機設計研究所やその他の機関との緊密な協力を通じて、王華明氏のチームは大型主要部品の製造において質的な飛躍的進歩を達成しました。金型や従来の鋳造・鍛造が不要になるだけでなく、3次元の問題が2次元として扱われるため、理論的には部品のサイズ、形状、寸法に制限がなくなります。

「将来の装備の構造、そしておそらくその性能も変わるでしょう。おそらく航空機は3万個の部品を必要とし、重量は数十トンです。現在、3Dプリントにより、数万個の部品が2,000個になり、部品数が大幅に削減されます。高品質の材料を印刷することで、強度が増し、重量が軽減されます」と王華明氏は語った。

出典: Douyin「学者講義」第9話

大衆科学と科学研究は同等に重要である

胴体に加えて、エンジンもチタン合金の重要な応用分野です。航空機エンジンは、大型輸送機や戦闘機の「心臓部」と考えられています。曹春暁氏は「学士講演」で、「長江ターボファンエンジンの開発が成功すれば、我々のC919にも採用されるだろう」と明らかにした。長江1000ターボファンエンジンのチタン含有量は23％に達した。

講演の最後に、新中国建国後の第一世代の科学者である曹春暁院士は、次のように願いを述べた。「第一の願いは、（チタン合金材料を使用した）新型国産航空機ができるだけ早く実用化されることであり、第二の願いは、将来、より高品質の国産（航空）エンジンを製造できることである。」

出典：Douyin「学者講義」第5話

曹春暁院士は、国産大型航空機への道はまだ長く、より多くの人々の参加が必要だと述べた。王華明氏もこれに深く同意している。「大きなことを成し遂げたいなら、一人ではできない。落ち着いて、自分がすることの目先の利益だけを考えてはいけない。協力が必要かもしれないし、チームが必要かもしれないし、さまざまな人々が一緒になって、世界を揺るがすようなことを成し遂げ、無名の役人になる必要があるかもしれない。その結果がこれなのかもしれない」と王華明氏は語った。

彼らの見解では、大衆科学と科学的研究は同等に重要である。王華明院士はこれまで、CCTVの「Let's Talk」などの科学人気番組に出演してきた。今回は、より多くの若いネットユーザーと交流したいと願い、Douyinと中国科学技術協会の「中国科学技術イノベーション」が共同制作した「院士Let's Talk」に参加した。

現在、曹春暁院士と王華明院士による2つのコンテンツエピソードがDouyin、Toutiao、Xigua Videoで公開されており、数千万回の視聴を集めている。

王華明院士の解説は非常に生き生きとしており、3Dプリントのプロセスを「生地をこねる」ことに例えていた。曹春暁院士は若者との交流がとても上手で、87歳になった今でも、科学研究部門の男女比や夜更かしや残業の問題など、若者が関心を持つ多くの問題に注目しています。これらの科学人気コンテンツを通じて、ますます多くの若いネットユーザーが航空宇宙産業に興味を持つようになりました。

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新しい研究により、3DプリントにおけるPEEKの結晶化プロセスが明らかになり、材料特性をより適切に制御できるようになりました。

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