ウクライナの3Dプリント技術と企業の概要

南極熊紹介：ウクライナは強力な軍事技術を有しており、3Dプリント技術が徐々に注目を集めています。以下では、ウクライナの 3D プリント技術と企業の現状を概観します。

ウクライナのイヴチェンコは、3Dプリント技術を使用して、航空エンジンのニッケルベースの高温合金ブレード用のセラミックコアを製造しています。

△ 3Dプリントセラミックコアで製造されたニッケル系高温合金ブレード（フランス3DCERAM社製C900 Flex装置とシリコンジルコニウムコア特殊材料Silicoreを使用）

今日の航空機産業の主な優先事項の 1 つは、燃料消費量が少なく、環境に優しく、コスト効率の高い、より効率的なエンジンの設計と製造です。これらの改善を実現するための中核となるプロセスは、複雑な冷却空気流路を備えた高温合金タービンブレードをどのように製造するかということです。

ブレードの内部流路はセラミックコアによって実現されており、問題解決の難しさは複雑な構造のセラミックコアをどのように製造するかに変わります。

△ ウクライナのかつての主力航空機エンジンD-18T

プレス成形や射出成形などの従来の製造工程では、コアを複数の部品に分割して別々に製造し、手作業で接合する必要があるため、このような複雑な構造を実現できず、多大な時間とコストがかかります。この方法は非効率的であるだけでなく、製品の合格率を非常に低いレベルにしか維持できません。

このような背景により、3D プリント技術の応用に大きなチャンスが生まれます。セラミック 3D 印刷技術のスペシャリストである 3DCeram は、ステレオリソグラフィー (SLA) 3D 印刷プロセスと革新的なシリコンジルコニウム材料を使用して、エンジンタービンブレード用の複雑な鋳造コアを製造しています。 3DCERAM と有名なウクライナの Ivchenko-Progress Design Bureau (最大の顧客は Motor Sich) との数年間にわたる協力の結果が最近検証されました。

△3Dプリントセラミックコア

3DCeram のコア製造プロセスの基礎は、コンピューター制御の UV レーザービームを使用して光重合性セラミック印刷材料を選択的に硬化させることで部品を製造するレーザー光硬化 SLA テクノロジーです。セラミックコアの製造では、材料も重要な要素です。「セラミックの種類は鋳造製造で使用される合金の種類によって決まります。そのため、鋳造段階ではコアと金属の間に化学反応は起こりません。選択されたセラミックは、金属鋳造に耐えられるよう熱的および機械的耐性があり、熱膨張係数 (CTE) が低く、加工中の寸法安定性が高く、金属冷却プロセス後の浸出特性が良好である必要があります。」

この目的のために、3DCeram はタービンブレード鋳造用のコアの製造にシリコンジルコニウム材料を開発しました。この材料の粉末部分は、ニッケルベースのタービンブレードの鋳造に何十年も使用されてきたシリコンベースの複合材料に似ており、熱膨張係数が低く、熱安定性と耐熱衝撃性に優れているのが特徴です。さらに、シリコンジルコニウムコアは脱芯が容易で、合金に無害な溶液を使用して鋳造後に簡単に除去できます。最後に、セラミックコアを焼結してクリストバライトを形成し、シリコンコアの耐熱性と高温寸法安定性を確保します。

全体として、3DCeram のプロセスは、設計の柔軟性の向上、複雑度の高いコア製品の製造能力、新しい設計の反復の高速化、一定数量当たりの製造コストの低減など、インベストメント鋳造にさまざまな利点をもたらします。

△ワックス型をプレスした後のセラミックコア

△ワックスフィルムで包んだ後のコアの断面

検証プロセス

3DCeram は 2019 年以来、Progress Design Bureau と協力して、タービンブレード製造用の CERAMAKER 900 シリーズセラミック 3D プリンターと、セラミックコア用途向けに特別に開発されたシリコンジルコニウム印刷材料である Silicore を検証してきました。両者は協力して、従来のプロセスと同じ品質レベルを確保しながら、可能な限り最高の 3D プリント鋳造コア結果を達成することに取り組みました。最後に、SX インベストメント鋳造プロセスを使用して 3D プリントされたセラミックコアキャストがテストされ、検証されました。

第一段階では、両社はセラミックの3Dプリントを印刷し、従来の検査プロセスを使用して品質と寸法の検査を実施しました。これにより、3D プリントされたセラミックコアをさらに加工してワックス型に加工することが可能になりました。ワックスモデル（内部のセラミックコア）をX線で検査したところ、セラミックコアにはひび割れや損傷がなく、無傷でした。

△ワックス型をプレスした後のセラミックコアの断面

次の段階では、進歩設計局は伝統的なプロセスを使用して、鋳型シェルなどの一連の鋳造準備を準備し、最終的に高温ニッケル基合金ブレードの鋳造に成功しました。鋳造合金ブレードからセラミックコアを抽出した後、各ブレードはX線検査や超音波検査などの追加検査を受けます。前者は、浸出プロセス中にセラミック材料がうまく除去されたことを証明し、後者はブレードのさまざまな部分の厚さを測定するために使用されました。

最終的に、3DCeram のセラミック 3D 印刷プロセスとシリコンジルコニウム材料が、航空機エンジンのタービンブレードの鋳造コアの製造にうまく適用されました。 SX 鋳造プロセス中に、テストにより Silicore 材料の特性が鋳造の要件を満たしていることが確認され、Progress Design Bureau もこの材料が複雑なセラミックコアの製造要件を満たしていることを認定しました。

ウクライナ科学アカデミーが電子ビーム3Dプリンターを開発

2021年8月、ウクライナ国立科学アカデミーのパットン溶接研究所は、ウクライナ初の電子ビーム3Dプリント装置を開発しました。装置は、小型真空チャンバー、垂直移動プラットフォーム、金属粉末供給分配装置、最大出力60kWの電子ビーム銃、高電圧電源で構成されています。金属粉末を原料として、特定の形状や構造を持つ金属部品を層ごとに印刷します。印刷能力は 1 時間あたり 80cm3 です。この技術は、従来のほとんどの加工技術とは異なり、自動設計ソフトウェアと組み合わせられ、操作とプロセスが完全に自動化されています。特殊な特性と特定の形状を持つ部品を生産でき、材料の消費量を減らし、製品の生産と市場投入までの時間を節約できます。

電子ビーム 3D プリント装置は、ウクライナのタービンおよび航空機エンジン製造業者で広く使用される予定です。さらなる研究開発と改良を経て、この設備はVT1-0、VT-6、VT-20チタン合金粉末、ASTM F75コバルトクロム合金粉末、耐熱インコネル718粉末を原料として使用できるようになった。これらの合金粉末はすべてウクライナの企業で生産できるため、生産コストが大幅に削減され、国際市場での製品の競争力が確保される。

ウクライナのSprybuildが連続DLP 3Dプリンターを開発 ウクライナの 3D 印刷会社 Sprybuild は、新しい連続 DLP 3D 印刷技術、波面変換連続生産技術 CPWC (波面変換による連続生産) を開発しました。

CPWC 技術は、「液体フォトポリマー 3D 印刷における主要な技術的矛盾を克服する革新的な方法」と呼ばれています。これは DLP 3D 印刷技術に属します。この技術は、放射エネルギーを顕微鏡レベルで印刷領域に再分配することにより、最大 10 mm/分の印刷速度を実現できます。

CPWC テクノロジーの利点は、超高速性だけではありません。このテクノロジーは、複雑な混合物の印刷でも、あらゆる光重合性液体の印刷に使用できます。同時に、光硬化性液体に含まれる他の成分も有機充填剤、すなわち薬剤やマイクロカプセルとして使用することもできます。

CPWC は、印刷されたオブジェクトの投影を 3D 印刷領域に直接形成する「化学線の波面変換」に基づいている点で、市場の既存の技術とは異なると言われています。製品の残留応力を排除し、一般的な樹脂印刷プロセスよりも大きな印刷体積を提供できます。

ウクライナのセラミック3DプリントスタートアップKwambio

△CES 2019のKwambioブース
Kwambio は 2014 年に設立され、当初は小物や室内装飾品などの 3D プリントモデルの市場をターゲットにしていました。多額の投資を受けた後、同社は2015年に独自の3Dプリンターを発売し、その後、セラミックと金属の3Dプリントに特化した研究所を設立し、さらなる投資を促進しました。同社はCES 2018でセラミック3Dプリンターを発表し、CES 2019では2台を展示した。このウクライナ企業は7人の投資家から総額350万ドルを調達した。特許取得済みのセラミックバインダージェッティング（CBJ）技術により、超高精度のセラミック製品を3Dプリントすることができます。
2021年1月、ウクライナのニュースサイトCNNは、3Dプリントの新興企業Kwambioの財務問題について報じたが、同社の将来に明るい兆しはなかった。同社は3月以降営業しておらず、従業員には2020年の大部分の賃金が未払いとなっている。スタッフによると、2020年9月から支払われていないという。
レーザー粉末ベッド金属3DプリントメーカーALT
2019年11月にドイツのフランクフルトで開催されたFormnext 3Dプリント展示会で、Antarctic Bearはウクライナの金属3DプリントメーカーであるALTのブースを見学しました。 ALTは、ALT Alfa-280とALT Alfa-150の2台の金属3Dプリンターを展示しました。ALTの3Dプリンターは「金属粉末レーザー溶融」技術を採用しており、さまざまな金属合金を印刷できます。
Additive Laser Technology の主な焦点は金属積層造形の開発と革新であり、ALT はカスタムレーザー粉末床融合システムの開発と製造を専門としています。機械は顧客のニーズに合わせてカスタマイズでき、形状に基づくプロセスパラメータが開発され、最小限の多孔性、高い許容誤差、優れた表面仕上げが保証されます。

△ALT Alfa-280 金属3Dプリンター
ウクライナの建築3Dプリント会社PassivDom

2018年、ウクライナのスタートアップ企業PassivDomは3Dプリント技術を使用して36平方メートルの家を建てました。PassivDomは、北極の気候条件でも燃料を一切必要としない世界初の完全自律型住宅です。この家は太陽エネルギーのみを使用して、温度調節（暖房と冷房）、水、空気の質、酸素の調節など、居住者のあらゆるニーズを満たします。家自体がすべての家電製品に必要な電力を生み出します。

当時、36平方メートルのこの家は3万2000ドル（約22万人民元）で売られていた。この家の主要構造（フレーム、壁、天井など）は3Dプリントされていますが、レゴブロックのようにモジュール化されているため、簡単に輸送して目的地で組み立てることができます。同時に、その内装は普通のホテルと同じように良いと言えます。

屋根に設置された太陽光パネルとリン酸リチウム電池は、「日光がなくても2週間の電力需要を満たすことができる」という。

3DテクノロジーADDtive
3D TECH は、2017 年に設立され、ウクライナのリヴィウに拠点を置く 3D プリントサービスプロバイダーです。同社のサービスには、3D スキャン、製品設計、3D プリント製造サービスが含まれます。

同社は、次のような最終用途のプラスチックおよび金属機能部品に 3D プリントを使用しています。
産業機械および装置自動車および航空機パーソナライズされた消費財生産ツールおよび装置

つづく

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