01 水中機器とチタン合金の「必然の関係」
我が国は豊富な海洋資源に恵まれており、海洋探索には水中機器が重要なツールとなっています。その重要性は自明です。-初期の頃、水中装備は主に鉄ベースの素材で作られていました。-その後、軽量化を図るためにアルミニウム合金素材が広く使われるようになりました。しかし、海洋強国化戦略の進展に伴い、水中機器には長距離航行、長時間運用、深海運用の能力が必要とされています。{6}{6}{7}{8}チタン合金は、軽量、高強度、耐食性、非磁性の特性で際立っており、水中機器の構造材料として理想的な選択肢となっています。{10}しかし、チタン合金の加工は難しく、従来の加工方法では寸法精度が悪く、加工サイクルが長く、コストが高いという問題がありました。これにより、積層造形技術を適用する余地も生まれ、チタン合金加工の問題を解決するだけでなく、製造効率と経済的利益も大幅に向上します。
02 積層造形技術:誕生から開発まで
積層造形技術の概念は、19 世紀後半の米国にまで遡ります。しかし、当時の技術的な限界により、このアイデアは実現されませんでした。 1980 年代になって初めて、高エネルギー熱融合技術とラピッド プロトタイピング技術の画期的な進歩により、積層造形技術開発の基礎が築かれました。{4}それ以来、この技術は進化を続け、航空宇宙、医療、自動車などの分野で徐々に登場し、現在では製造業界の最先端の主要技術の 1 つとなっています。{6}}積層造形技術の中核は「層ごとのアセンブリ」にあります。-レーザー、電子ビーム、アークなどの熱源を使用して粉末やワイヤーを溶かし、三次元モデルに従って層ごとに構築し、最終的にコンポーネントの全体的な形成を実現します。-この技術は従来の製造の限界を突破するだけでなく、複雑な構造の製造に新しいソリューションを提供します。
03 水中チタン合金装置における積層造形技術の応用
プロペラの革新的な製造:
プロペラは水中機器の重要な推進部品です。これまで、チタン合金鋳造プロペラは、高コストと煩雑なプロセスという課題に直面していました。生産量が少ない頃は、厚板の機械加工は便利でしたが、材料の利用率が極めて低かったのです。 2017 年、Damen Group、ドイツのプロペラ製造会社プロマリン、ソフトウェア プロバイダーのオートデスク、ロッテルダム積層造形研究所 (RAMLAB) が協力し、アーク ワイヤー積層造形技術を使用して世界初の 3 枚ブレード ニッケル-アルミニウム青銅合金プロペラ (直径 1.35 メートル、重量 400 キログラム) の完成に成功しました。関連する性能試験に合格し、フランス船級協会から認定を受けました。中国造船工業グループのフェンシー重工業有限公司は、陝西長隆九州金属技術有限公司と共同で、LMD 技術を使用して 7 枚ブレードのチタン合金プロペラ (直径 800 mm、重量 30 kg) を試作しました。現在、中国船級協会に認証を申請中です。-従来の製造方法と比較して、積層造形はプロペラ製造において独特の利点を示し、多くの問題を解決します。
中空シェルの製造における画期的な進歩:
中空シェルは、水中機器の中で最も困難なコンポーネントの 1 つです。リングを鍛造して溶接する従来の方法では、組み立ての難易度が高い、溶接箇所が多い、溶接変形が大きい、材料利用率が低い、加工時間が長いなどの問題がありました。当社はLMD技術を用いた中空素管の試作に成功しました。テスト後、このコンポーネントは機械的性能テストと外部水圧テストに合格しました。従来の加工方法と比較して、材料利用率が50％から95％に向上し、加工時間が7日から1日に短縮され、製造コストが20％削減され、製造効率と経済効果が大幅に向上しました。
圧力容器の探査と実験:
海外では、ブレッダーマンのチームは、LMD 技術を使用して GR5 チタン合金の半球シェルの製造に成功し、水中機器での潜在的な用途を探るためにそれらの評価とテストを実施しました。研究では、構築方向を最適化し、支持構造を導入することで、半球の 2 番目のバッチの寸法精度が向上する可能性があることがわかりました。破壊試験では、半球の 2 番目のバッチの耐圧能力が大幅に向上していることが示され、水中チタン合金装置の開発に重要な参考資料が提供されました。
04 積層造形技術の「見どころ」
積層造形技術は従来の加工技術とは異なります。三次元モデルに基づいて、レーザー、電子ビーム、アーク電流などの熱源を使用して粉末やワイヤーを溶かし、層ごとに処理し、層ごとに構築してコンポーネントの全体的な形成を実現します。-水中チタン合金装置の構築において、この技術には明らかな利点があります。
サイズへの高い適応性:
レーザー選択溶融（SLM）技術は、真空チャンバーのスペースに制限があるものの、国内外の設備で水中設備の部品の60％以上をカバーすることができ、技術の発展に伴い成形サイズは増大し続けています。レーザー溶融堆積（LMD）およびアーク積層造形（WAAM）技術には、基本的に部品形成のサイズに制限がありませんが、大型部品の要件を満たすことができ、その後の微細加工の後、装置の使用要件を満たすことができます。
複雑な構造の製造における大きな利点:
プロペラや中空シェルを例に挙げると、従来の製造方法はコストが高く、プロセスが複雑で、材料の使用率が低くなります。積層造形技術を使えば、これらの問題を解決し、生産効率を向上させることができます。たとえば、当社が試作したセブンリーフチタン合金プロペラと中空シェルは、性能、コスト、加工サイクルが大幅に向上しました。-
材料構成と性能が保証されています:
研究によると、積層造形技術で加工されたチタン合金部品は化学組成の標準要件を満たしており、プロセスで製造された一部の GR5 チタン合金部品の機械的特性も標準を満たすことができます。{0}衝撃エネルギーは鍛造品に比べて低くなりますが、総合的な性能は良好です。
