航空宇宙産業に革命を：積層造形がもたらす性能向上と効率化

積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング：AM）の黎明期から、3Dプリンティングのハードウェアおよび材料プロバイダーは、航空宇宙産業を重要なターゲット市場と位置づけてきました。航空機は多様な部品で構成される高度に複雑なシステムであり、生産ツールや材料の最先端開発、特に部品の軽量化や強度向上を実現する技術から大きな恩恵を受けられます。一部の3Dプリンティングプロセスは、この両方を同時に達成すると謳っています。

しかし、それが航空宇宙産業が他産業より速く積層造形を採用していることを意味するわけではありません。実際、航空機とその無数のコンポーネントは、明白な理由から最も厳格な認証・試験手順を経る必要があり、3Dプリント航空宇宙部品がコンセプトから実装に至るまでには数年、場合によっては数十年を要します。技術は存在しても、長年の試験と観察から得られる知見が不足しているのです。そのため、人命に関わるリスクが少ない産業では、積層造形の導入がずっと容易です。

それでも、実用化のハードルをクリアした3Dプリント航空宇宙部品は、すでに業界に大きなインパクトを与えています。3Dプリントされた客室内装の壁パネルのようなシンプルなものから、積層造形された金属製エンジン部品のような極めてクリティカルなパーツまで、AMは世界で最も収益性が高く、変化の激しい産業の一つにおいて、確実に飛躍し始めています。

本記事では、AMが航空宇宙産業でどのように活用され、今後活用されていくのか、その一端を紹介します。

軽量化と強度最適化

積層造形と切削加工（サブトラクティブ・マニュファクチャリング）は多くの点で異なり、3Dプリンティングと従来工法の選択はしばしばジレンマを生じさせます。しかし、両者のアプローチにおける重要な違いの一つは、部品の内部形状を成形する能力にあります。

3Dプリンティングは、複雑な幾何学パターンを用いて内部強度を最大化しながら重量を増やさない、部分的に中空の内部構造を持つコンポーネントの製造を可能にするため、航空宇宙のような産業で極めて有用です。3Dプリンターは「ボトムアップ」で部品を積層するため、金属製エンジン部品やプラスチック製客室パーティションの内部に、格子状の構造を作り込むことができます。これは、液体材料がキャビティ全体を満たす成形や、切削工具が外部を貫通せずに内部に到達できない切削加工などの従来プロセスでは不可能です。

これらの格子構造の重要性を過大評価することは困難です。航空機の製造において、1グラムの重量さえも最大効率の妨げとなりますが、3Dプリンティングなら、部分的に中空で格子構造を持つ内部を造形することで、コンポーネントの質量を大幅に削減できます。格子を編むような糸状のストラットは、数学的に最適化された配置で強度を最大化し、応力を低減できるため、軽量な部品でありながら、完全なソリッド部品と同等以上の強度を確保できます。何より、ストラット間の空間は無重量であり、部品全体の質量を減らせるのです。

航空宇宙企業が3Dプリンティングで軽量部品を製造する例は数多くあります。2011年、ボeing傘下のHRL研究所の研究者たちは、密度わずか0.9mg/ccでスチロールの約100倍軽い「世界最軽量の材料」とされる金属を開発したと発表しました。「相互接続した中空チューブの格子を、壁厚100ナノメートル（人間の髪の毛の1,000分の1）で造形するのが鍵だ」と、研究者の一人トビアス・シェドラー氏は説明しています。

研究者たちが軽量3Dプリント格子構造の可能性を探求し続けるにつれ、航空宇宙企業は軽量化と強度最適化の目的で、ます積層造形に深く関わるようになるでしょう。

試作とスペアパーツ

積層造形の最大の利点の一つは、あらゆる産業において、部品をオンデマンドかつ社内で製造できる点です。3Dプリンターはどこにでも設置でき、ほぼ自律的に稼働するため、3Dプリント部品のリードタイムは非常に短くなります。これにより、航空宇宙企業は新しい設計イテレーションを迅速に製作して即座に試験でき、R&Dプロセスを短縮し、部品完成を早められます。

より速い試作は、航空宇宙における積層造形の主要用途の一つであり、その成果は実証済みです。積層造形大手のStratasysによれば、航空宇宙試作に社内3Dプリンティングを活用すると、射出成形とCNC工法と比較して約43%、2Dレーザー切断と比較して約75%の時間短縮が可能です。

航空宇宙が積層造形から恩恵を受けられるもう一つの領域は、在庫管理です。平均的な商用航空機は約400万個のコンポーネントで構成され、それらがすべて同一メーカー製とは限りません。そのため、航空機サプライヤーは、修理に備えて膨大なスペアパーツ在庫を抱える必要があります。それらの調達コストは莫大であり、保管する不動産の確保にも多額の費用がかかります。

この領域で3Dプリンターは極めて有効な解決策となります。現場に3Dプリンターを備え、STLなどのプリント可能なフォーマットでスペアパーツのデジタルライブラリを管理すれば、巨大な倉庫に何百万もの高価なスペアパーツをストックする代わりに、必要なときにだけ3Dプリントできます。このデジタルスペアパーツライブラリの活用は多くの産業で徐々に採用されつつあり、大規模実装には数十年を要するでしょうが、航空宇宙は最大の恩恵を受ける産業の一つとなり得ます。

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