大型AMが航空宇宙の柔軟性を向上

Ascent Aerospace（米国ミシガン州マコムタウンシップ、カリフォルニア州サンタアナ）は、世界最大の航空宇宙ツーリングサプライヤーを自称し、金型、組立、トリミング・穴あけ治具の金属ソリューションを主に提供しています。同社の金型製造は、ナセル、翼、胴体、スパー、ストリンガー、フレームなどの大型航空機構造に焦点を当てています。トリミング・穴あけ治具は、CNC加工、ロボット溶接、自動プレス、検査システム、組立用途で使用されています。

2018年、同社はサンタアナポートフォリオへの大型付加製造追加を検討し始め、市場のシステム、材料、用途を評価しました。Ascentに典型的なサイズのツールを製造できる大型マシンが必要だと認識し、2019年にThermwood（米国インディアナ州デイル）からLSAMシステムに投資しました。これは、大型プリンターとCNC加工機能を備えた10 x 40フィートのデュアルガントリー/デュアル機能、押出ベースの付加製造セルで、2020年第2四半期に設置されました。ちょうどパンデミックが始まった頃です。

Ascentサンタアナ拠点のグローバル製品マネージャー（複合材料・付加製造）のショーン・ヘンソン氏は、タイミングは理想的ではなかったものの、Ascentは新LSAMを即座に稼働させ、ツーリング環境における大型AMの能力、利点、限界を理解するための数ヶ月にわたる取り組みを開始したと述べています。

学習曲線とパンデミックにもかかわらず、Ascentは運用初年度にLSAMを通じて20以上のツーリングプログラムを納品しました。この作業の大半は、治具、真空トリミングツール、プロトタイプ、金型の製造に集中しました。トリミング治具には、主にTechmer（米国テネシー州クリントン）のABS樹脂に20wt%チョップドカーボンファイバーを強化したものを使用。高温サイクリングが必要な金型用途には、チョップドカーボンファイバー強化ポリエーテルサルフォン（PESU）またはポリエーテルイミド（PEI）でプリント。一部の用途では、ABSよりわずかに優れた特性と高温性能を持つポリカーボネート（PC）でもプリントしています。ヘンソン氏によると、LSAMシステムで製造される製品の約75%は室温用途、残りは温度サイクリング用途です。温度がかかる金型の中には、マスターモールドで<200°F環境向けに設計されたものもあれば、350-400°F、100 psi圧力までのオートクレーブ硬化向けに設計されたものもあります。

では、LSAMの最大の利点は？スピードとコストだとヘンソン氏は言います。LSAM製金型のリードタイムは金属金型の半分で、材料コストも安い。「スピードは大きな要因です」とヘンソン氏。「大型付加製造に向かった理由は、材料堆積率と、ツーリングが大きいために構築できる量です。本当に大きなものを非常に速く作れます。プリントは通常8-15時間かかります。その間に、1,000-1,500ポンドの材料のツールを製造できます。13-14フィート長、5フィート高のフットプリントを1日未満でプリントしています。」

さらに、Ascentはデュアルガントリー/デュアル機能マシンを持っているため、プリントと仕上げを同時に行えます。「デュアルガントリーがあります」とヘンソン氏。「システムの半分でプリントし、もう半分で機械加工でき、それらを独立して実行できます。10-15フィート長のものをプリントしながら、テーブルの反対側で同じ長さのものを機械加工し、それらの操作を同時に実行できます。」また、プリントと仕上げが同じマシン上にあるため、「ルーターがプリンターが材料を置いた場所を知っている」ため、下流の機械加工プロセスが高速化されます。適切な用途と適切な顧客にとっては、ヘンソン氏によると、3Dプリントは従来の材料やプロセスでは不可能な速さで完成した使用可能な製品を提供します。

デメリットは？いくつかあります。大型押出機での3Dプリントのニアネットシェイプ面から始まります。「すべてがオーバービルドで後処理機械加工です」とヘンソン氏は指摘します。「LSAMができるだけ速く、できるだけ多くの材料を置くために行うトレードオフは、プリントの解像度です。押出ビーズは3/4インチ以上幅があり、約1/4インチ高です。プリントされたままのピースを見ると、それらのスカロップが見え、感じられます。FDMドットレイヤーが100倍に拡大されたようなものです。したがって、温度金型、トリミングツール、さらには滑らかなプロトタイプであっても、あらゆる種類の滑らかな表面には、より細かい仕上げを得るための機械加工要素が関与します。特に航空宇宙用途では。」

2つ目の課題は、カーボンファイバー強化熱可塑性樹脂がインバー、アルミニウム、鋼のように振る舞わないことです。繊維強化材料の異方性は、熱サイクリング中の金型内での熱膨張係数（CTE）の高い変動性を意味し、寸法仕様を満たす完成部品の製造を困難にします。「それが設計側とプリント側で我々が抱える大きな課題です」とヘンソン氏。「顧客は最終形状をくれますが、構造的観点とCTE観点の両方から、ツールがどのように見えるべきかをモデリングするために少し作業が必要です。」ヘンソン氏は、過去のプリントプログラムから得られたデータと顧客フィードバック、試行錯誤に頼って、設計能力を洗練させていると述べています。

ヘンソン氏は、このコスト/ベネフィットの組み合わせ（CTE対スピードとコスト）により、LSAM能力を慎重に展開し、用途要件と納期の天秤にかける必要があると述べています。「これは、数ヶ月ではなく数週間でツールを得る本当に良い方法です」とヘンソン氏。「しかしトレードオフを認識してください。インバー工具のように完璧な部品が得られると期待しているなら、それは実現しません。しかし多くの顧客、特に多くのR&Dと開発顧客にとっては、クイックツールを得る本当に良い方法です。」

少なくとも、AscentがLSAMからプリントした金型の1つがすでに飛行航空機の生産に使用されており、さらに続くでしょう。同社は、遠くない将来にLSAM能力を最大限に活用し、追加が必要になる日を想像しています。同社のオーナーシップは、ヘンソン氏によると、3Dプリントの可能性を見ており、その拡大利用を強く支援しています。