積層造形が航空宇宙産業にもたらす革新とコスト効率

製造は航空宇宙産業における課題です。航空宇宙部品は非常に複雑であるだけでなく、ほぼあらゆる業界の中で最も高い品質保証基準を満たし、構造的に健全である必要があります。

コスト削減と従来の製造課題の克服のため、多くの航空宇宙企業が従来の製造プロセスから積層造形へと移行し、必要な複雑な部品を効率的に製造しています。

疑いなく、積層造形は航空宇宙産業を変革しています。航空宇宙市場における積層造形は、年平均成長率（CAGR）22.17%で成長し、2026年までに67.5億ドルに達すると予測されています。

航空宇宙産業における従来製造と積層造形の比較

積層造形とは、CADデータ（デジタル3Dモデル）に基づき、材料を一度に1層ずつ三次元オブジェクトの構造に追加していくプロセスです。一般的に3Dプリントとも呼ばれます。

これは、減法製造としても知られる従来の製造プロセスとは異なります。従来の製造では、材料を金型に入れて硬化させます。材料が乾燥または冷却したら金型から取り出し、余分な材料を除去して最終製品を形成します。したがって「減法」と呼ばれます。

従来の製造プロセスでは、以下のステップが発生します：

• 製造のための設計（DFM）により、部品が製造可能かどうかを確認
• 振動解析
• 反復
• 製造
• テスト
• 反復

積層造形では、製造ステップが少なく、プロセスは以下のようになります：

• 設計
• 設計がプリント可能か確認するための前処理
• 反復
• 製造

CATIAモデルに基づく航空宇宙分野での3Dプリントは、部品の製造方法を変えることで航空宇宙製造業界に革命をもたらしています。

ここでは、積層造形が航空宇宙アプリケーションで使用される6つの方法を紹介します。

1. 複雑なジオメトリを持つ部品の製造

ヘリコプター部品からタービンエンジンまで、航空宇宙コンポーネントは、時に非常に狭いスペースで高度に複雑な幾何学構造を必要とします。

小さな複雑な部品を別々に作成して後で全体に組み立てるのではなく、設計エンジニアは印刷用CADデータを使用して、内部コンポーネントを含む構造全体の3Dモデルを作成できます。その後、3Dプリンタは、複雑な内部寸法と複雑なジオメトリをすべて含む、組み立て不要のシームレスな1つの部品を作成できます。この方法は、航空機用ジェットエンジンの積層造形にも使用可能です。

積層造形を使用すると、金属やカーボンファイバーなど、幅広い材料から、リードタイムとエネルギーを削減して複雑な部品を作成できます。

2. より効率的なプロトタイピング

金型の設計と生産のアウトソーシングが不要になるため、航空宇宙エンジニアは、従来の製造方法ではかかる時間のわずかな時間でプロトタイプを設計およびプリントできます。より速くプロトタイプを作成してテストできることで、航空宇宙企業は市場投入までの時間を短縮し、競争で優位に立てます。

航空宇宙では、部品が仕様通りに製造されることが極めて重要です。従来の製造では、仕様プロセスはすでに確立されています。しかし、積層造形では仕様プロセスが確立されていないため、製造された部品が仕様通りに生産されたかどうかを確認することは、それほど明確ではありません。

航空宇宙における積層造形の現在の課題には、以下が含まれます：

• 一貫した部品の製造により製造基準を満たすこと。すべての部品が前回と同じでなければならない
• より大規模なプリント。3Dプリントは比較的新しい技術のため
• 航空宇宙業界のサプライヤーにとって、テストに合格しコンプライアンス基準を満たすこと。これらのプロセスは積層造形部品向けに確立されていない

3. コスト効率の高い生産

積層造形は、プロトタイプ作成時間を短縮できるだけでなく、コストも削減できます。

従来の製造では、多くの航空宇宙アプリケーションで材料廃棄率が98%に達することがあります。減法により大量の金属切り屑が出たり、適切な金型を作成するのに長いプロセスが必要になったりします。

積層造形では材料を減らすのではなく追加するため、材料廃棄を大幅に削減し、製造コストの節約に貢献します。積層造形プロセスのセットアップには初期コストがかかりますが、長期的なコスト削減はこれらの予備費用を上回ります。

4. 部品の内部強度の向上

小さな部品を組み合わせて大きなオブジェクトを作るたびに、全体の構造的完全性が損なわれます。積層造形では、設計エンジニアは、弱く脆弱な継ぎ目なしで、中空の中心部や内部コンポーネントを含む部品全体を作成できます。

さらに、航空宇宙産業における積層造形は複合材料を非常にうまく活用できます。これは積層造形が従来製造に対して明確な優位性を持つ分野です。

積層造形では、力がかかる方向にスライスや層を積み重ねることで、最終部品をその方向に非常に強くすることができます。

5. 軽量コンポーネントの作成

燃料は航空宇宙産業で最もコストがかかるものの一つです。燃料消費を減らす最良の方法は、より軽い部品を作ることです。残念ながら、従来の製造では、構造的完全性を犠牲にせずに軽い部品を作ることはほぼ不可能です。

ボルトやネジなどの接合部品を必要とせずに航空機部品を積層造形することで、積層造形プロセスはフレーム重量を25%削減しながら、構造的完全性を向上させることができます。積層造形は燃料消費を削減するだけでなく、航空機の全体的な強度も高めます。

6. 保管ニーズの削減

航空宇宙産業は、あらゆる業界の中で最も長いサプライチェーンの一つを持つことで悪名高いです。部品を入手可能にするため、多くの航空宇宙企業は大量のコンポーネントを倉庫に備蓄しています。これは別のコストと物流上の懸念です。

積層造形プロセスは高速かつ効率的であるため、航空宇宙メーカーは、標準的なサプライチェーンを通じて注文するよりも、カスタム部品を含むコンポーネントを社内で、わずかな時間とコストで生産できます。これにより、部品を手元に置いたり、大規模な保管施設を維持したりする必要性が減ります。

航空宇宙における積層造形の未来

カスタマイズされた、軽量で構造的に健全な部品を迅速かつ効率的に作成できるため、多くの企業が航空宇宙アプリケーションで積層造形に転じているのも不思議ではありません。

航空宇宙における積層造形の未来において、CADモデルは中心的な役割を果たします。利用可能な航空宇宙における積層造形の事例と研究の見通しを考慮すると、CADモデルが現在使用されており、航空宇宙企業にとって価値があることは明らかです。

より多くの航空宇宙企業が従来から積層造形プロセスへ移行するにつれ、長期的にはCADモデルをプリントする機能を持つことに焦点が当てられるようになるでしょう。

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