航空宇宙分野における3D印刷の技術的利点

第三次産業革命の製造分野における典型的な代表的な技術として、3D印刷の開発は常にあらゆる分野から広く注目されてきました。 金属高性能積層造形技術 (金属3D印刷技術) は、業界の専門家から、3D印刷の分野における困難で高水準の開発部門と見なされています。工業製造において極めて重要な役割を果たしています。 南極のクマは、金属3D印刷の開発にも注目しています。 今日、世界中の工業製造会社は、金属添加物製造技術、特に航空宇宙製造会社を精力的に研究および開発しています。技術的リーダーシップを確保するための研究開発の取り組みを増やすために、多くの財政的および物質的なリソースを費やしています。

米国の製造業リターン戦略とドイツ産業4.0を背景に、国際環境はその成長に不可欠な栄養を備えた3D印刷も提供しています。 それが米国で新しく設立された国立添加物製造センターであろうと英国技術戦略委員会であろうと、航空宇宙は積層造形技術の主要な応用分野です。 2012年10月、中国科学院の前会長であり、全国人民代表大会の副議長であるLuYongxiangは、中国の3D技術は航空宇宙分野でも最初に適用されることを明らかにしました。

業界の王冠の明るい真珠として、航空宇宙製造分野は国のすべてのハイテク技術を統合し、そしてそれは国家戦略計画が実行され、政治的状況が表示されることができるバックアップ保証分野です。 まったく新しい製造技術として、金属3D技術は航空宇宙分野で優れたアプリケーション上の利点と明らかなサービス上の利点を持っています。 それは主に次の面で反映されます:

(1) 新しい航空宇宙機器の研究開発サイクルを短くする

航空宇宙技術は、国防力と国家政治の現れの象徴です。 世界の国々の間の競争は非常に激しいです。 したがって、すべての国は、国防の分野で無敵になるように、より速い速度で新しい武器や装備を開発しようとしています。 金属3D印刷技術は、高性能金属部品、特に高性能大型構造部品の製造プロセスを大幅に短縮します。 部品の製造工程で使用される金型を開発する必要はなく、製品の開発と製造サイクルを大幅に短縮します。

国防大学軍事兵站・軍事科学技術設備学部のLiDaguang教授は、1980年代と1990年代に、新世代の戦闘機を開発するには、少なくとも10〜20年かかります。 3D印刷技術の最も顕著な利点は、機械加工や金型を必要とせず、任意の形状の部品をコンピュータグラフィックスデータから直接生成できることです。したがって、3D印刷技術やその他の情報技術を使用すれば、少なくとも3年で新しい戦闘機を開発することができます。 技術の高い柔軟性、高性能、柔軟な製造特性、および複雑な部品の無料ラピッドプロトタイピングと相まって、金属3D印刷は航空宇宙分野で輝き、防衛機器の製造に強力な技術サポートを提供します。

国内の大型航空機C919の中央フランジ部分は、航空分野における金属3D印刷技術の典型的な用途です。 この構造部分は3メートル以上の長さであり、それは世界で金属3D印刷によって作り出される最も長い航空宇宙構造部分です。 従来の製造方法を使用する場合、この部分は超大型トン数プレスで鍛造する必要があります。これは時間と労力がかかるだけではありません。しかしまた原料を無駄にします。 現在、中国にはこのような大規模な構造部品を製造できる機器はありません。

したがって、航空機の開発プロセスと安全性を確保するために、この部品を海外から注文する必要があり、注文から設置までのライフサイクルは2年以上もあります。これは航空機の研究開発の進歩を深刻に妨げています。 金属3D印刷技術で印刷された中央フランジストリップの開発には約1か月かかり、その構造強度は、航空基準に完全に準拠した鍛造品の基準に達したか、それを超えました。 金属3D印刷技術の使用は、私の国の大型航空機の開発を大幅に短縮し、開発作業を円滑に進めることができました。

(2) 材料の利用率を向上させ、高価な戦略的材料を節約し、製造コストを削減する

そして、これは航空宇宙分野における金属3D印刷技術の応用の単なる縮図です。

航空宇宙製造分野のほとんどは、チタン合金やニッケルベースの超合金などの加工が難しい金属材料など、高価な戦略的材料を使用しています。 伝統的な製造方法における材料の利用率は非常に低く、一般的には10% 以下、あるいは2% 〜5% しかありません。 材料の莫大な浪費はまた、加工手順が複雑であり、製造期間が長いことを意味します。 加工が難しい技術的な部分であれば、加工サイクルが大幅に増加し、製造サイクルが大幅に延長され、製造コストが増加します。

金属3D印刷技術は、ニアネットシェーピング技術として、少量のフォローアップ処理で使用でき、材料の利用率は60% に達しました。時には90% 以上に達することさえあります。 これは、製造コストを削減し、原材料を節約するだけでなく、国が提案した持続可能な開発戦略にも準拠しています。

2014年に中国科学アカデミーが開催したシンポジウムでは、北行大学のWangHuaming教授はかつて、中国はわずか55日でC919航空機コックピットのガラス窓枠を印刷できるようになったと述べました。 Wang Huamingはまた、ヨーロッパの航空機製造会社が、同じものを生産するのに少なくとも2年かかると述べたと述べました。金型を単独で作るのに2百万米ドルかかるでしょう。 しかし、中国の3D印刷技術の使用は、生産サイクルを短縮し、効率を向上させるだけでなく、原材料を節約し、生産コストを大幅に削減します。

(3) 部品の構造を最適化し、重量を減らし、応力集中を減らし、耐用年数を延ばす

航空宇宙兵器や機器にとって、軽量化は永遠のテーマです。 飛行中の飛行装置の柔軟性を高めるだけでなく、負荷容量を増やし、燃料を節約し、飛行コストを削減することもできます。 しかし、従来の製造方法はすでに部品の軽量化を最大化しており、予備能力をさらに発揮することは非現実的です。

ただし、3Dテクノロジーのアプリケーションは、複雑な部品の構造を最適化できます。 性能を確保することを前提として、複雑な構造を単純な構造に変形・再設計して軽量化することができます。 さらに、部品の構造を最適化することにより、部品の応力を最も合理的な分布で提示することができ、疲労亀裂のリスクを減らし、それによって耐用年数を延ばすことができる。 合理的で複雑な内部フローチャネル構造による温度制御を実現し、設計と使用を最適化するDLP材料(LiqcreateワックスcastableおよびLiqcreateプレミアムモデル) 、または使用基準を満たすために、材料の配合を通じてさまざまな部品の任意の自由成形を実現します。

戦闘機の着陸装置は、高負荷と高衝撃に耐える重要な部品であり、高強度と高耐衝撃性を備えた部品が必要です。 アメリカのF16戦闘機で3D技術によって製造された着陸装置は、使用基準を満たしているだけでなく、元の戦闘機の2.5倍の平均寿命も持っています。

(4) 部品の修理および形成

製造および製造における金属3D印刷技術の使用に加えて、金属高性能部品の修理におけるその応用価値は、製造自体よりも決して低くはありません。 現在の状況に関する限り、修理成形における金属3D印刷技術の可能性は、その製造自体よりもさらに高い。

例として、高性能の一体型タービンブリスク部品を取り上げます。 ディスク上の特定のブレードが損傷すると、タービンブリスク全体が廃棄され、直接的な経済的損失は100万以上の価値があります。 過去と比較して、この種の損失は取り戻せず悲痛なものかもしれませんが、3D印刷のレイヤーごとの製造の特性に基づいて、損傷したブレードを特別な基板と見なすだけで、損傷した部分にレーザー三次元成形を行うと、部分の形状を復元することができ、 そして性能は基材のそれより高い使用の条件を、さらに満たします。 3D印刷プロセスの制御性のために、その修理のマイナスの影響は非常に限られています。

実際、3D印刷された部品は修理が簡単で、よりよくマッチします。 他の製造技術と比較して、3D修理プロセスでは、製造プロセスと修理パラメータの間のギャップのために、組織、組成、性能の観点から、修復領域と基板の一貫性を維持することは困難です。 しかし、3Dで形成された部品を修理するとき、この問題は存在しません。 修理プロセスは、積層製造プロセスの継続と見なすことができ、修理エリアと基板は最適な一致を達成することができます。 これにより、部品製造プロセスにおける好循環、低コスト製造、低コスト修理、高経済的利益が実現します。

(5) 従来の製造技術と協力し、互いに補完し合う

従来の製造技術は大量の成形製品の製造に適していますが、3D印刷技術はパーソナライズまたは洗練された構造製品の製造に適しています。 3D印刷技術と従来の製造技術を組み合わせることで、それぞれの強みを活用し、それぞれの利点を十分に活用し、製造技術をより強力にします。

たとえば、表面で高品質の性能を必要とするが、中央で平均的な性能を必要とする部品の場合、従来の製造技術を使用して中央の形状の部品を製造できます。そして、レーザー立体形成技術を使用して、これらの中央部分に表面部分を直接形成することができます。 このようにして、高い表面性能と一般的なセンター要件を持つ部品が製造され、プロセスの複雑さを節約し、製造プロセスを削減します。 この補完的な組み合わせは、製造および部品製造において重要な実用的な価値を持っています。

さらに、単純な外部構造で内部構造が複雑なコンポーネントの場合、従来の製造技術を使用して内部複雑な構造を製造する場合、プロセスは面倒であり、その後の処理手順は複雑であり、その結果、生産コストが発生し、生産サイクルが長くなります。 従来の製造技術の外部使用と3D印刷技術の内部使用はネット形状に直接近いため、少数のフォローアッププロセスのみが製品製造を完了することができます。 これにより、生産サイクルが短縮され、コストが削減され、従来のテクノロジーと新しいテクノロジーの完全なマッチングが可能になり、相互運用性と補完性が実現されます。

3D印刷技術の主要な応用分野として、航空宇宙には明らかな技術的利点がありますが、これは金属3D印刷が全能であるという意味ではありません。 実際の生産では、その技術的な用途にはまだ解決すべき多くの問題があります。 たとえば、現在、3D印刷は大量生産に適応できず、高精度の要件を満たすことができず、高効率の製造を達成することができません。 さらに、3D印刷の開発を制限する重要な要素は、その機器のコストが高いことであり、ほとんどの民間分野では、このような高い機器製造コストを支払うことができません。 しかし、材料技術、コンピューター技術、レーザー技術の継続的な発展に伴い、製造コストを負担する製造業界の能力を満たすために、製造コストは引き続き低下します。 その時、3D印刷は製造分野でその光を照らすでしょう。