3Dプリンティングが航空宇宙産業のイノベーションと効率を高める理由

航空宇宙産業は極めて厳しい環境です。継続的な摩耗、高圧、高温条件に耐えられる完璧なコンポーネントが求められます。絶え間ないイノベーションと研究が行われ、コンポーネントを強靭で耐久性があり、かつ軽量にすることで、航空機の性能向上、メンテナンスの容易化、作業員の生産性向上を図っています。この不可欠な品質と信頼性は、商業便のスケジュール・予約管理、軍用機に求められる緊急性と24時間365日の即応態勢との両立が必要です。生産と物流のチェーンで何らかの問題が発生すれば、商業・軍用を問わずフライトの可用性、品質、さらには安全性が損なわれる恐れがあります。

航空宇宙産業におけるAM（積層造形）の進化

そこで登場するのが積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング）です。3Dプリンティングの進化の初期段階では、非常に革新的だがかなり限定された製造手法でした。3Dプリンターは高価な投資であり、速度が遅く、大規模な産業用途にはビルドエリアが小さすぎました。さらに、材料市場は非常に限られており、特に技術用エンジニアリング材料が不足していました。また、3Dプリンターメーカーが自社材料のみの使用を許可するケースが多く（ベンダーロックイン）、ユーザーの選択肢を狭めていました。こうした3Dプリンティングの「暗黒期」は、もはや過去のものとなっています。

現在、積層造形は優れた設計自由度と材料・プリンターの互換性、精密な設計とリバースエンジニアリングを可能にする専門ソフトウェア、最も特殊な用途向けの豊富な先進材料、大型ビルドエリアを持つ大規模3Dプリンター、そしてCNC加工品と遜色ない軽量パーツの製造能力を備えた、成熟した産業へと発展しました。

動画1：エアバスが生産ラインでAMソリューションを採用。出典：Airbus。

航空宇宙産業は、従来製法のアルミニウム部品と同等の性能を発揮する軽量パーツを追求しています。軽量化により、航空機はより速く、より遠くへ、より少ない燃料で飛行可能になります。500kgの軽量化で燃料消費量が約1%削減され、二酸化炭素排出量の削減にもつながります。

航空宇宙におけるAMの貢献

航空宇宙産業におけるあらゆるイノベーションのアイデアは、新素材や新技術が商業機・軍用機を問わず、飛行と航空機の安全性に関する多数の厳格なFAA規制を満たすか、綿密な評価プロセスを経なければなりません。多くの老朽化機体には、後になって有毒性が判明し置き換えが必要な材料で作られたコンポーネントや、すでに製造中止となっており再現が必要な材料が使用されています。

積層造形企業は、優れた引張強度、耐薬品性、耐熱性を備えながら有害な副作用のない、FAA認証取得済みの幅広いフィラメントを提供しています。代表例がPAEKファミリーのフィラメントで、Essentium PEI 9085 ULTEM、Essentium PEEK、Essentium PEKKなどがあります。これらは機内用途での使用が可能です。ULTEM PEIフィラメントは、照明システム、電気スイッチ、ハウジング、電球ソケットの部品造形に使用されてきました。

画像1：宇宙打ち上げ機に使用される環境制御用導管。Essentium ULTEM 9085フィラメントで造形。出典：Essentium。

PEEKフィラメントは、アルミニウム製エンジン部品、ベアリング、バルブ、さらには機内の光ケーブルや電気システムを絶縁・保護するライトコンドゥイットの置き換えに航空宇宙産業で使用されています。

柔軟で即応性のある社内メンテナンス

航空宇宙における3Dプリンティングの役割は、プロトタイピングの段階を超えています（もちろん現在もプロトタイピングに活用されています）。航空宇宙産業の製造規模とコストを考えると、射出成形やCNC加工による従来のプロトタイピングは時間とリソースを大量に消費します。飛行機やその部品のプロトタイプを3Dプリントすることで、試作コストと修正コスト、材料廃棄、遅延を大幅に削減し、CNCでは不可能な複雑な構造の製作が可能になります。

画像2：航空機の3Dプリントプロトタイプ。出典：Essentium。

衛星部品（宇宙機用アンテナ）、ドローン・無人機（ローターブレード、エンジン部品）の製造のほか、航空宇宙産業における最も一般的なAM用途は、地上部品と非重要・非荷重支持型の機内コンポーネントの製造です。

航空機は高額な投資であるため、古い機体が想定寿命を大幅に超えて運用されるケースが少なくありません。積層造形は、小規模なメンテナンス作業に最適な技術です。設計図がなくても、リバースエンジニアリング（パーツをスキャンし、設計ソフトで処理し、3Dプリントする）によって部品を再現できます。カップホルダー、トレイ、トイレの蓋、エアダクト、計器パネルなど、機内の非必須コンポーネントの欠損・破損部品を3Dプリントで作成可能です。

画像3：3Dプリントされたタービン。出典：Essentium。

同じことがあらゆる種類のツール、治具、ジグにも当てはまります。これらは地上支援機器であるため、FAAによる審査が空飛ぶ部品ほど厳しくないため、3Dプリンティングによるイノベーションの導入が容易です。元のツールが生産中止になっていても、図面から、あるいはネジや対象部品に合わせて設計を変更して3Dプリントできます。従来の切削加工では、これらはより多くの時間と材料を消費します。ツール・治具・ジグを軽量かつ高効率にするため、炭素繊維、ガラス繊維、金属で強化された材料が使用できます。これにより、アルミニウムより最大50%軽量で、優れた強度と耐熱性を持つパーツが実現します。この用途に適したフィラメントとして、Essentium HTN CF25、PA CF、ABS MG94などがあります。強度・耐性・軽量性に加え、航空宇宙向けフィラメントに求められる特性として難燃性とESD安全性があります。製造現場やメンテナンスゾーンは高温環境であり、引火性物質や静電気が存在する危険な場所です。Essentium TPU 90A FRフィラメントは難燃性を備え、火災リスクと延焼を大幅に低減するため、格納庫や機体周辺で使用するツール・治具・ジグに最適です。

画像4：Essentium TPU 58D-ASで造形された安全パーツ。出典：Essentium。

一方、Essentium TPU 58D-ASは、航空宇宙産業専用に設計されたフィラメントで、「フライト前に取り外し」る部品（注意喚起のための赤色）の製造向けです。TPU 58D-ASは静電気放電リスクを低減し、これは人体と電子部品の両方に危険を及ぼします。電子部品は航空機のナビゲーションシステムなど、正常な機能に極めて重要です。

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR 難燃性 Essentium TPU 58D-AS

物流制約の克服

旅客機、貨物機、軍用機を安全かつフライト・ミッション対応可能な状態に維持することは、常にイノベーションを続けること以上に極めて重要です。積層造形がこれらの産業で多くの用途を持つのは、航空会社、宅配便会社、軍隊が航空機メンテナンスにおいてより大きな自立性と柔軟性を得られるからです。

COVID-19パンデミックは世界を多くの面から変えました。航空宇宙産業も例外ではなく、多くのサプライチェーンが予期せぬ長期間にわたり停止しました。従来の製造モデルである下請け業者や配送業者への依存により、生産、メンテナンス、納品業務が停滞しました。多くの航空会社がフライトキャンセルによる多大な財務損失を被り、コスト削減の新たな方法を模索することになりました。積層造形がその答えとなり得ます。

従来の製造（CNCなど）では、ESD対策部品、耐食性部品、耐高温部品の製造に、3社以上の異なる下請け業者への高額な発注、長く多様な納期（さらにそのサプライヤー次第）、軍用機が海外駐留している場合は配送が困難または不可能、といった課題がありました。

画像5：反復製造の一例。出典：Essentium。

もう一つの問題は、ワンオフのツールや少量生産の交換部品が航空宇宙産業では日常茶飯事だということです。一度きりの使用のためだけに射出成形やCNC加工で金型を作るのは、不必要なコストと長い納期を招きます。これらはすべて3Dプリンティングで解決可能です。1台の3Dプリンターを現場に置き、様々な先進技術フィラメントでそれらすべての部品を製造すれば、コストは大幅に下がり、遅延リスクも低減します。この製造方式は、世界中の倉庫にスペアパーツをストックする必要性を排除し、必要な部品をいつでもどこでもオンデマンドで3Dプリントできるようにします。こうした小さな改善の積み重ねが、航空宇宙におけるサプライチェーンと生産チェーンの全体的な簡素化と短縮につながり、コスト削減と、航空機が残すカーボンフットプリントの相殺を実現します。

実例

AM技術が実際の航空宇宙現場で応用された好例が、Axle Box社です。同社はSkyFire向けに、林業・防火クライアント用のドローンプラットフォームを開発しました。これらの部品は、大規模な空中消火作業の過酷な条件（火災、水、風）に耐えなければなりません。競合他社と比較して最低コストと最短リードタイムで部品を製造しました。ドローンのミッドボディはEssentium HTN CF25フィラメントで、サイドカバーはPA CFフィラメントで3Dプリントされました。両材料とも飛行試験で期待を上回る性能を発揮し、優れた機械的特性と高速性を実証しました。

動画2：Axle Boxによるドローン着陸プラットフォーム用3Dプリント部品。出典：Essentium。

航空機でよくある故障に油圧系統の故障があります。主に航空機の重量と飛行中に受けるストレスが原因です。油圧故障の修理は、複数の技術者が故障箇所にアクセスし、交換部品を固定しながら取り付ける必要があったため、時間と人手を大量に消費していました。この故障が頻発し、修理コストが高額であったため、ある大手航空宇宙メーカーが追加要員なしで交換部品を保持できるブレースを3Dプリントすることを決定しました。

積層造形の航空宇宙導入は、AMと航空宇宙産業の双方にとって画期的な発展でした。航空宇宙産業で求められる高度な特性を持つ専門材料の数々は、3Dプリンティング界にとってエキサイティングで変革的な挑戦となりました。一方、航空宇宙産業にとっては、3Dプリンティングが提供する驚異的な速度、スケール、反復の可能性により、設計自由度の向上、コスト削減、物流の自立化への大きな一歩となりました。