航空宇宙に革命を起こす:3D プリントされた構造コンポーネント

ここ数年、3D プリンティングや積層造形に関する誇大宣伝が行われ、「伝統的な」工場が間もなく消滅するのではないかという期待が（メディアに）植え付けられているのを聞いたことがあるでしょう。プラスチック、ゴム、金属部品の直接印刷や、交換部品の軍用および軌道上での印刷など、奇跡的な新しい方法についての話題は、新たな夜明けを告げています。

たぶん。

しかし、ある分野では、その影響は非常に現実的かつ即時的であり、誇大広告の少なくとも一部は完全に見当違いというわけではありません。

3D プリンティング技術の急速な進歩により、航空宇宙産業は、特に低精度で機能が単純な構造コンポーネントの分野で、革命的な旅のスタートラインに立っています。 3D プリントは、低コストのソリューションを見つけようとしない限り、複雑なカスタムメイドの部品を迅速に作成するための革新的な技術として登場しました。

3D プリントを使用すると、他の方法では製造が難しい設計の非常に軽量で耐久性のあるコンポーネントを作成でき、この分野の非常に厳しい安全基準を遵守しながら、パフォーマンスと燃料効率を最大化できます。この画期的なテクノロジーの可能性を最大限に理解するには、3D プリントに関する核心的な事実と最先端の期待、そしてそれらが航空宇宙製造要件にどのように適用されるかを検討することが役立ちます。

この記事では、3D プリンティングの複雑さと、それが航空宇宙分野における構造コンポーネント製造の未来をどのように変えているかを探り、自信を持って (誇大広告なしで) 開始点から知識を拡張できる入門書を提供します。

航空宇宙構造コンポーネントの 3D プリントの目的は何ですか?

航空宇宙構造部品用の 3D プリントの主な目標は、商業的に実行可能であり、適用される安全性と環境基準および航空機の安全性の要求に厳密に準拠する方法で部品を作成することです。複雑で軽量な部品やカスタムメイドのコンポーネントを迅速に生産することで、迅速なメンテナンス/開発サイクルを可能にし、航空機と宇宙船の両方のパフォーマンスを維持することができ、信頼性が高く安全でコスト効率の高い飛行を実現します。従来の方法では製造に時間がかかるか不可能だった複雑な形状も、3D プリントを使用すると高速に製造できるようになりました。航空宇宙産業は、3D プリントのおかげで、新たなイノベーション プロセスを開始しています。

3D プリントできる航空宇宙構造コンポーネントはどれですか?

積層造形に適した航空宇宙構造コンポーネントには次のものがあります。

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燃料ノズル。

タービンブレード。

無人航空機

衛星フレーム。

コントロール サーフェス アクチュエーター

航空宇宙構造コンポーネントの 3D プリントはどのように機能しますか?

航空宇宙の構造および機能コンポーネントは、材料を層ごとに堆積および融合して実際の物体に処理された CAD (コンピューター支援設計) データを使用して 3D プリントされ、完成部品を迅速に構築します。次のリストは、このプロセスの詳細を示しています。

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CAD で設計された 3D モデルがプロセスの基礎として機能します。

コンポーネントを作成するために、3D プリンタ ビルド セットアップ ソフトウェアはデザインを一連のスライスとプリンタで読み取れる構築パラメータ命令に解釈します。

3D プリンタは、金属やポリマーなどの材料をフィラメント、液体、粉末の形でビルド プラットフォーム上に配置し、それ自体とその下の層を融合させます。

コンポーネントが完成するまで、レイヤーごとに高さが増していきます。

パーツが削除され、洗浄され、後処理されます。これは手動または自動で行うことができ、サポート構造の取り外し、メディア ブラスト、または二次仕上げが含まれる場合があります。

より高い精度が必要な場合（座面や穴の直径など）、後加工が必要になる場合があります。

3D プリントは、複雑な形状の部品を迅速に構築し、材料の無駄を削減し、性能が向上した軽量コンポーネントを製造できることに加えて、エンジニアに他の製造方法よりも高い設計の自由度を提供します。

航空宇宙産業における 3D プリントの利点は何ですか?

航空宇宙産業における 3D プリントの一般的な利点は次のとおりです。

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積層造形により、サブアセンブリを他の方法では製造できない単一コンポーネントに統合できます。部品数を減らすと、FOD (異物破片) のリスクも軽減されます。

付加技術を使用すると、それほど高度ではない方法では実現不可能な複雑な設計を実現できます。 3D プリントでは、機械加工のような視線の特徴に準拠する必要はありません。

3D プリントの性質により、3D スライサー内のモデル以外の製造装置の変更を必要とせずに、設計変更を迅速に繰り返すことができます。

これらのプロセスにより、設計者やメーカーは設備があれば世界中どこでも迅速なオンデマンド生産が可能になり、市場投入までの時間とサプライ チェーンのコストが削減され、現場のインフラストラクチャの複雑さが軽減されます。

添加剤製造プロセスを戦略的かつ慎重に適用することで、サプライ チェーンがよりスリムになり、信頼性が高まり、一貫性が高まります。

航空宇宙産業における 3D プリントの欠点は何ですか?

航空宇宙産業における 3D プリントの欠点は次のとおりです。

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使用されるテクノロジーと、その機能においてパーツに要求される精度のレベルに応じて、これらのパーツの一部には追加の後処理が必要になります。このフェーズには、精密機械加工から研磨、コーティングに至るまでの追加タスクが含まれ、特定のニーズに合わせて 3D プリントされたコンポーネントを改良します。通常、後処理には繊細で熟練した手作業が必要となるため、生産時間とコストが増加します。これは印刷部品のコストに比例して大きくなり、製造の合理化による明らかな利点が損なわれる可能性があります。

3D プリントから派生できる驚くべきコンポーネントの配列は、多くの場合、正確に選択できる材料グレードが不足しているため制約を受けます。航空特有の規制では、特殊かつ厳密に指定された材料が必要です。その結果、航空宇宙工学部門は材料の選択肢の数に制限があり、この技術革新/移行段階でより広範囲の航空機要素を作成する技術の能力が制限されます。

3D プリント主導の生産では、生産性の効率が向上する一方で、コスト効率が大幅に低下する可能性があります。コンポーネントのコストがスケジュールのコストを上回る場合は、サービスを提供できません。ただし、コストを重視せずに複雑なパーツを極めて迅速に作成する方法として、その重要性はますます高まっています。

3D プリントされた航空宇宙構造コンポーネントの応用例は何ですか?

航空宇宙産業では 3D プリント構造コンポーネントのさまざまな用途が模索されていますが、機内での利用はまだ限られています。翼ブラケット、航空機のアクチュエーター部品、ドローンのローターブレード、燃料ノズル、燃焼室、さらにはエンジンの内部構造の一部などは、支持され好評を博している部品の例です。これらの用途は、この製造方法の顕著な適応性と、この分野に影響を及ぼす可能性があることを浮き彫りにしています。 3D プリンティングがその無限の可能性により、この分野の製造プロセスを再構築しようとしていることは明らかです。

航空宇宙構造コンポーネントの 3D プリントに使用される材料は何ですか?

航空宇宙構造コンポーネントの 3D プリントに使用される材料には、次のようなものがあります。

1.チタン合金

チタンは航空宇宙分野に最適な高性能素材であり、コストが高くても法外にならず、強度重量比と優れた耐食性が圧倒的に有利です。また、チタン部品は製造工程が限られており、製造の難易度は非常に高いです。積層造形は、これらの製造上の問題のほとんどを解決し、サプライチェーンの抵抗と物流上の困難を大幅に軽減する高性能部品を提供します。 

2.アルミニウム合金

アルミニウムは、強度対重量比がほぼ同じであり、原材料と（従来の）加工コストが大幅に低いため、チタンに次ぐ選択肢として決して劣るものではありません。積層造形材料のサプライ チェーンが大幅に容易になるということは、選択できるオプションが増えることを意味し、構築エネルギーが低くなり、より低電力の装置の使用やより高速な構築作業が可能になります。アルミニウムは一般に、航空宇宙用途に優れた腐食特性を備えています。この特性は、陽極酸化処理によって大幅に強化され、湿った状態でも酸素を排除する制御された正確な酸化膜を部品上に形成します。

3.ニッケル合金

ニッケル合金は、優れた耐食性だけでなく、高温でも優れた性能を発揮します。 3D プリントされたニッケル合金部品は、航空宇宙分野、特にタービンブレードでの実験的使用、燃焼室やガスタービンの排気部品での実際の飛行中の用途、さらにはホットユースのロケットエンジン部品などで多くの関心を集めています。ニッケル超合金は、重要なシステムの全体的な効率と信頼性を向上させる上で重要な役割を果たします。

4.ステンレススチール

いくつかのグレードのステンレス鋼は、航空宇宙以外のさまざまな分野の積層造形で広く使用されており、工具や産業機器などに強度と優れた耐食性をもたらします。ステンレス鋼からの 3D プリント部品は、航空宇宙における高応力用途向けの堅牢で長持ちする構造および機能コンポーネントを提供できます。航空機や宇宙船の着陸装置での正常な動作を支える支柱や支持構造などの部品は、この合金で作られており、着陸時の驚くべき衝撃の要求に応えなければなりません。耐食性、強度、耐久性の独特の組み合わせにより、ステンレス鋼は際立っており、この分野の (重量よりもむしろ) 強度が重要なコンポーネントにとって理想的な選択肢となっています。ステンレス鋼の方が強度に優れているにもかかわらず、アルミニウムは強度重量比が非常に優れていますが、繰り返し荷重下では復元力が低くなります。

5.炭素繊維強化ポリマー (CFRP)

炭素繊維強化ポリマー (CFRP) は、軽量かつ高強度を必要とする多くの用途で優れた材料オプションとして急速に採用されています。 CFRP は、ポリマーの軽量性と金属の強度を組み合わせています。これらは、燃料効率の向上、排出量の削減、航空機や宇宙船の全体的な性能と揚力の向上、衝撃耐性の向上により、航空宇宙産業においてますます重要な役割を果たしています。 CFRP は航空機の重量を最大 20% 削減できます。連続炭素繊維を使用した、さまざまなコア形状のサンドイッチ構造の 3D プリントは、他の高価値分野と同様に、航空宇宙分野のさまざまな構造要素に適用できます。現代の航空機は一般に、飛行制御面としてエレベーター、舵、ステアリング ブレードに炭素繊維強化ポリマー (CFRP) サンドイッチ構造を使用しています。

6.高性能ポリマー

PEI (ULTEM)、PEEK、PEKK、PPSU などの高性能ポリマーは、エンジニアリング用途で一般的に使用される多くの標準ポリマーと比較して、優れた機械的特性と高温耐性を示します。ナイロン、ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン)、ポリエチレンなどのポリマーは、荷重や熱を受けると非常に壊れやすくなります。不連続炭素繊維と高性能ポリマー PEKK を組み合わせることで、特性が大幅に向上した複合材料が実現します。 

7.セラミック複合材料

セラミック複合材料は積層造形プロセスで利用できるようになってきていますが、専門分野以外の知識ベースが限られているため、採用が遅れています。優れた靭性、硬度、高温に対する優れた耐性など、その利点は非常に大きく、非常に要求の厳しい航空宇宙用途に最適です。積層造形を使用して印刷されたセラミック部品は、軽量、高強度、優れた環境耐性を備え、航空宇宙分野で大きな可能性を秘めていますが、必然的に制限的な安全認証には時間がかかり、まだ達成されていません。 IJP や 3DP などの技術では多孔質材料が生成されますが、適切な表面処理やシーラントはほとんどありません。詳細については、セラミックとは何かに関するガイドをご覧ください。

8.インバー®

インバーは、熱膨張係数が極めて低いことで知られる珍しいニッケル鉄合金です。このため、非常に変化しやすい温度条件下での寸法安定性が必要な用途に最適であり、この特性は積層造形にも引き継がれます。このユニークな特性により、航空宇宙工学を含むさまざまな業界で非常に価値があります。 3D プリントにおけるインバーの革新的な使用は、まだ実験段階にある先駆的なアプローチであり、寸法制御と安定性の点で強化された機能を提供することが期待されています。

9.タンタル

航空宇宙分野では、高温および高応力の両方にさらされる重要な部品にタンタルが使用されています。タンタルの高温腐食耐性は、ガスタービンにおいて排気ガス、高温湿気、急速に変化する温度にさらされることが一般的な航空宇宙用途で特に有利です。タンタルは、他の高融点金属と同様、従来の方法では加工が非常に困難ですが、積層造形によりこれらの課題が回避されます。具体的な用途には、タービン ブレード、衛星推進用のノズル セグメント、極超音速飛行用のコンポーネントなどがあります。

10.コバルトクロム合金

コバルト クロム合金は、高強度、耐摩耗性、生体適合性といった特性をうまく組み合わせて使用されます。これらは、高温や急速に変化する機械的応力に耐える能力があるため、航空宇宙用途、特にガス タービン エンジンのコンポーネントで使用されることが増えています。コバルト クロム合金は、航空宇宙分野でエンジン部品、航空機構造部品、ロケット エンジン部品、遮熱板などに使用されています。詳細については、超合金に関するガイドを参照してください。

3D プリントされた航空宇宙構造コンポーネントは規制基準を満たす必要がありますか?

はい。航空機で使用する前に、3D プリントされた航空宇宙構造コンポーネントは、厳格なテストを経て、FAA または EASA の承認を受ける必要があります。この分野では、人命 (および機器) の保護のために信頼性と安全性を必然的に重視するため、これらのコンポーネントは厳格なテストと検証手順を通過する必要があります。連邦航空局 (FAA) や欧州連合航空安全局 (EASA) などの規制機関は、厳しい管理を行っています。これらの規格は、航空機の安全で信頼性の高い運航を保証します。

航空宇宙における 3D プリント構造コンポーネントの将来は何ですか?

航空宇宙産業における積層造形の利用は成長軌道に乗っています。航空宇宙メーカーは、このまだ始まったばかりの高コスト供給における現在の価格への影響にもかかわらず、一部の耐荷重コンポーネントや高温領域コンポーネントを従来の鋳造から 3D プリンティングに徐々に切り替えています。この分野では積層造形技術の普及と需要の拡大が続いています。印刷技術の発展により性能が向上し、価格が下がったため、航空宇宙分野での 3D プリンティングの使用は今後増加すると予想されます。詳細については、3D プリンターの仕組みに関するガイドを参照してください。

航空宇宙構造部品の 3D プリントは従来の製造とどう違うのですか?

航空宇宙用構造コンポーネントの 3D プリントに使用されるプロセスと材料は、従来の製造で使用されるものとはまったく異なります。 3D プリントでは、機械加工などのサブトラクティブ プロセスや鋳造などの一体プロセスとは対照的に、デジタル モデルからレイヤーごとにパーツを構築するアディティブ技術を使用します。これにより、複雑な形状、無駄の大幅な削減、設計における機敏な開発/テスト サイクルが可能になります。多くの材料は、機械加工、成型、または鋳造の手順を受ける代わりに 3D プリントできる可能性があります。

カット・デ・ナウム

Kat de Nagam は、英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツ スペシャリストであり、20 年以上の執筆経験があります。 Kat はさまざまな製造組織や技術組織で執筆した経験があり、エンジニアリングの世界が大好きです。執筆活動の傍ら、キャットはほぼ 10 年間パラリーガルとして活動し、そのうち 7 年間は船舶金融業務に携わっていました。彼女は印刷物とオンラインの両方で多くの出版物に寄稿しています。キャットはキングストン大学で英文学と哲学の学士号を取得し、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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