航空宇宙におけるアディティブマニュファクチャリング

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、構造的に健全であり、ほぼすべての業界の最高の品質保証基準を満たす必要があります。

コストを削減し、従来の製造上の課題を克服するために、多くの航空宇宙企業は、必要な複雑な部品を効率的に製造するために、従来の製造プロセスからアディティブマニュファクチャリングに移行しています。

間違いなく、アディティブマニュファクチャリングが航空宇宙産業を変革しています。航空宇宙市場におけるアディティブマニュファクチャリングは、22.17% の複合年間成長率 (CAGR) で成長し、2026 年までに 67 億 5000 万ドルに達すると予想されています。

航空宇宙産業における従来の製造法と付加製造法

アディティブマニュファクチャリングは、CAD データ (デジタル 3D モデル) の印刷に基づいて、一度に 1 層ずつ 3 次元オブジェクトの構造に材料を追加するプロセスです。一般に 3D プリントとも呼ばれます。

これは、サブトラクティブマニュファクチャリングとも呼ばれる従来の製造プロセスとは異なります。従来の製造方法では、材料を型に入れて固めます。材料が乾燥または冷却されると、金型から取り出され、余分な材料が除去されて最終製品が形成されます。このため、減法という用語が使用されます。

従来の製造プロセスでは、次のステップが発生します。

部品を確実に製造できるようにするための製造設計 (DFM)
振動分析
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なり、プロセスは次のようになります:

デザイン
デザインを印刷できるようにするための前処理
反復
製造

CATIA モデルに基づく航空宇宙の 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。

航空宇宙用途で付加製造を使用する 6 つの方法を次に示します。

1.複雑な形状のパーツを構築

ヘリコプターの部品からタービンエンジンに至るまで、航空宇宙部品は非常に複雑な幾何学的構造を非常に狭いスペースで必要とする場合があります。

小さくて複雑なパーツを個別に作成して後で全体に結合するのではなく、設計エンジニアは印刷 CAD データを使用して構造全体 (インテリアコンポーネントなど) の 3D モデルを作成できます。次に、3D プリンターは、複雑な内部寸法と複雑なジオメトリをすべて含む 1 つのシームレスなパーツを、組み立てを必要とせずに作成できます。このような方法は、航空機用の積層造形ジェットエンジンにも使用できます。

アディティブマニュファクチャリングを使用すると、金属や炭素繊維などのさまざまな材料から、リードタイムとエネルギーを抑え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

航空宇宙エンジニアは、金型を設計したり生産を外注したりする必要がなく、従来の製造方法を使用するよりもわずかな時間でプロトタイプを設計および印刷できます。プロトタイプをより迅速に作成してテストする機能により、航空宇宙企業は市場投入までの時間を短縮し、競合他社の一歩先を行くことができます。

航空宇宙では、部品が仕様に従って製造されることが非常に重要です。従来の製造では、すでに仕様プロセスが設定されています。ただし、アディティブマニュファクチャリングでは仕様プロセスが設定されていないため、製造部品が仕様に従って製造されたことを保証することは明確ではありません。

航空宇宙におけるアディティブマニュファクチャリングの現在の課題には、次のようなものがあります。

一貫した部品を作成することで製造基準を満たす - すべての部品は、以前に製造された部品と同じでなければなりません。
3D 印刷は新しい技術であるため、大規模な印刷を行う。
航空宇宙産業のサプライヤーの場合、テストに合格し、コンプライアンス基準を満たしていること。これらのプロセスは積層造形部品には設定されていないためです。

3.費用対効果の高い生産

アディティブマニュファクチャリングは、プロトタイプの作成時間を短縮するだけでなく、コストも削減できます。

従来の製造では、多くの航空宇宙用途で材料の無駄が 98% にもなる可能性があります。削った後に大量の金属チップができてしまい、適切な金型を作成するのは時間のかかるプロセスになる可能性があります。

アディティブマニュファクチャリングでは材料が追加され、差し引かれないため、材料の無駄を大幅に減らすことができ、メーカーが生産コストを節約するのに役立ちます。積層造形プロセスのセットアップには初期費用がかかります。ただし、長期的なコスト削減は、これらの初期費用を上回ります。

4.パーツの内部強度を上げる

小さなパーツ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低下します。アディティブマニュファクチャリングを使用すると、設計エンジニアは、弱く脆弱なジョイントを使用せずに、中空のセンター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アディティブマニュファクチャリングでは、複合材料を非常にうまく活用できます。これは、アディティブマニュファクチャリングが従来の製造よりも優れている分野です。

アディティブマニュファクチャリングでは、スライスまたはレイヤーを力が加わる方向に配置すると、最終的なパーツ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高いコストの 1 つです。燃料消費を減らす最善の方法は、より軽い部品を作ることです。残念ながら、従来の製造法を使用する場合、構造の完全性を犠牲にすることなく軽量の部品を作成することはほぼ不可能です。

ボルトやネジなどのコンポーネントを接合する必要のない航空機部品の積層造形により、構造の完全性を高めながら、フレームの重量を 25% 削減できます。アディティブマニュファクチャリング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.ストレージの必要性を減らす

航空宇宙産業のサプライチェーンは、どの業界よりも長いことで知られています。部品を入手できるようにするために、多くの航空宇宙企業は倉庫に大量の部品を備蓄しています。これは、コストとロジスティクスに関するもう 1 つの懸念事項です。

アディティブマニュファクチャリングプロセスは迅速かつ効率的であるため、航空宇宙メーカーは、カスタムパーツを含むコンポーネントを、標準的なサプライチェーンを通じて注文するよりもわずかな時間とコストで社内で製造できます。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がなくなります。