航空宇宙の内装に革命を起こす:3D プリントで重量、速度、コストを削減する方法

航空宇宙産業は、発足以来、あらゆる手段を講じて航空機の軽量化に努めてきました。 3D プリンティングは、そのような目標を達成するための比較的新しい方法です。 3D プリントされた部品は、ほぼ常に、従来の方法で製造された部品よりも迅速、軽量、安価に製造されます。これにより、航空機の内装だけでなく航空機の他のあらゆる面にも 3D プリント部品が大量に採用されるようになりました。航空機だけでなく、ロケットにも 3D プリンティングの用途があり、SpaceX と NASA の両方がロケット エンジンとノズルを 3D プリンティングしています。

この記事では、3D プリントの航空宇宙用内装コンポーネント、その目的、仕組み、利点、欠点、および 3D プリントされた航空宇宙用内装コンポーネントの例について説明します。

航空宇宙用内装部品の 3D プリントの目的は何ですか?

3D プリントが航空宇宙産業で大きく普及しているのには多くの理由があります。航空機の内装部品を 3D プリントする目的は、重量を軽減し (燃料消費量を節約し)、材料の無駄を減らし、小から中程度の部品の迅速な生産を可能にすることです。さらに、3D プリントでは CAD ファイルをデータベースに保存し、必要に応じて印刷できるため、在庫を保管する必要性が軽減されます。また、コンポーネントを 1 つの部品として製造することも可能になり、組み立ての必要がなくなります。

航空宇宙の内装コンポーネントの 3D プリントはどのように機能しますか?

航空宇宙の内装コンポーネントの 3D プリントは、3D プリントされた部品と同じプロセスに従います。基本的に必要なのは、CAD ファイルと 3D プリンターだけです。パーツがすでに CAD システムで描画されていると仮定すると、ファイルをスライスして 3D プリンターに入力できるようになります。スライシング ソフトウェアは、CAD ファイルを、3D プリントヘッドが部品を印刷するために従うことができる一連のベクトルである G コードに変換します。その後、ファイルはプリンターにアップロードされ、印刷されます。印刷物によっては後加工が必要な場合がございます。通常、後処理には 3D プリントのサポート構造を除去する研磨技術が含まれます。このプロセスは、小ロット生産や、リードタイムが長く、価格が高くなる複雑な形状の生産に最も効果的です。 

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 プリントの利点は次のとおりです。

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軽量化。

燃料消費量の削減（軽量化による）

リードタイムの短縮

使いやすいジェネレーティブ デザイン。 

無駄を最小限に抑える

素早いプロトタイピング。 

航空宇宙産業における 3D プリントの欠点は何ですか?

3D プリントには次のような欠点もあります。

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大規模な制作にはコストや時間の効率が悪くなります。

プリント ベッドのサイズによって制限されます。 

素材によって制限されます（素材の種類は増えていますが）

パーツには異方性があり、印刷層により XY 方向の強度が低下します。

品質のばらつきが大きい。 

3D プリントされた航空宇宙内装部品の応用例

航空宇宙内装用の 3D プリント部品の範囲は、ほとんどが非構造部品です。しかし、急速に成長しています。 3D プリントされたインテリア コンポーネントの主な例は次のとおりです。

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通気口

ダクト

バッフル

ケーブル管理

電気ハウジング

カバー

トリム

ドア ラッチ

肘掛け

取り付けブラケット

航空宇宙用内装部品の 3D プリントに使用される材料は何ですか?

航空宇宙の内装で使用するために印刷できるさまざまな素材があります。以下に、一般的なマテリアル グループの一部を示します。

1.ポリマー

3D コンポーネントのプリントに一般的に使用されるポリマーには、PLA (ポリ乳酸)、ASA (アクリロニトリル スチレン アクリレート)、ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン)、PET (ポリエチレン テレフタレート)、PC (ポリカーボネート) などがあります。ポリマー 3D プリント部品は、部品内にサポートを作成するために小さな充填材を使用し、本質的に中空であるため、交換する部品よりも軽量です。プラスチック 3D プリント部品は、3D プリンタを使用して CAD ファイルからプリントされ、カバー、ダクト、スペーサ、カーテン ヘッダー、カップ ホルダーなどのさまざまな用途に使用されます。 3D プリントされたパーツは、交換されるパーツと同じくらい耐久性がありますが、荷重に耐える Z 方向の強度が不足します。 

2.カーボンファイバー

カーボンファイバーは常にナイロンや他のポリマーなどの別の素材内に印刷され、連続繊維またはチョップドファイバーのいずれかの形式で印刷されます。連続繊維の形状は、別個のプリントヘッドによってポリマー部品の内部に印刷されます。細断された炭素繊維は長さが 1 mm 未満で、印刷されるポリマー フィラメント内に含まれています。連続したカーボンファイバーが荷重経路に配置され、特定の方向の部品の強度が向上します。一方、チョップドカーボンファイバーは部品全体の強度を高めます。炭素繊維強化プラスチックが使用されている品目の例としては、照明スイッチ パネル、車室内温度制御コンポーネント、ドア ラッチなどがあります。カーボンファイバーのプリント部品は耐久性が高く、多くのアルミニウム部品を置き換えます。 

3.金属

金属 3D プリンティングは、ポリマーとはわずかに異なるプロセスを使用して実現されます。金属は粉末状で提供され、選択的レーザー焼結 (SLS) と呼ばれるプロセスでレーザーを使用して溶融し、プリント ベッドと後続の層に融合されます。金属はより構造的で飛行に重要なコンポーネントに使用されているため、金属 3D プリント部品はあまり一般的ではなく、そのため認定が困難です。ただし、3D プリントされた金属は、航空機エンジンのベアリング ハウジング、燃料ノズル、温度センサー、熱交換器などで一般的に使用されています。 

4.ナイロン

ナイロンは 3D プリント可能なポリマーです。ただし、ナイロンはより柔軟で耐久性があるため、PLA や ABS などの素材とは異なります。ナイロンは PLA や ABS よりも剛性や強度が劣りますが、耐衝撃性は ABS の 10 倍です。ナイロンは他のポリマーと同じ方法で印刷されますが、通常は強度の低さを補うためにカーボンファイバーの補強が含まれています。 Markforged の Onyx™ は、機内エンターテイメント コンソール、パネル スイッチ、シート フレームに使用されている炭素繊維強化ナイロンです。 

5.グラスファイバー

カーボンファイバーと同様に、ガラスファイバーは 3D プリントポリマーの補強材として使用されます。ガラス繊維は連続または細断された形式で提供されます。細断された形状はフィラメントに組み込まれ、一般的な部分に補強を提供します。一方、連続繊維は特定の荷重経路を強化します。グラスファイバーはカーボンファイバーよりも安価で強度が低いため、カーボンファイバーでは不必要に強度が高くなる用途に使用されます。最後に、ガラス繊維は、カーボン繊維と同様に、交換されるほとんどの金属部品よりも疲労寿命が長くなります。 

航空宇宙における 3D プリントの内装コンポーネントの将来は何ですか?

航空宇宙内装における 3D プリント部品の将来は素晴らしいです。 3D プリントには多くのアプリケーションが見つかっていますが、さらに多くのアプリケーションが登場する予定です。これは、3D プリントにより、特殊なツールを使用せずに特殊なコンポーネントを使用できるオプションが開かれたためです。 3Dプリントによって利用できる素材の幅も広がります。航空機の内装にはすでに数百の 3D プリント部品が使用されており、米国の航空宇宙および防衛市場価値が 2026 年までに 55 億 8,000 万ドルに達すると予想されているため、この使用はさらに拡大すると予想されています。

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。

航空宇宙用内装コンポーネントの 3D プリントに関するよくある質問

SpaceX は 3D プリンターを使用していますか?

はい、SpaceX はロケットに 3D プリントを使用しています。彼らはこれらのプリンターを使用してロケット エンジンとノズルを製造します。 SpaceX は、3D プリンターを使用して、直接金属レーザー焼結 (DMLS) を使用してインコネルから SuperDraco エンジン チャンバーを印刷しました。 SpaceX は、Merlin 1D エンジン用の Main Oxidizer Valve (MOV) 本体も 3D プリントしました。この部品は、製造に 7 か月かかるところが 2 日で印刷され、メンテナンス スケジュールが短縮されました。 

NASA は宇宙で 3D プリンターを使用していますか?

はい、NASA は宇宙で 3D プリンターを使用しました。 2014 年、NASA は国際宇宙ステーションで Made In Space, Inc. 製のプリンターを使用して、プリントヘッドのフェイスプレートを印刷しました。印刷された部分は分析のために地球に戻されました。これらのテストの結果は、地球上と宇宙で印刷されたサンプルの間に差異がないことを示しました。これにより、宇宙での 3D プリントの多くの機会が開かれ、国際宇宙ステーションに重要なコンポーネントを届けるまでに数週間、場合によっては数か月かかるのとは対照的に、材料をリサイクルして再利用できます。 

内装部品以外の飛行機部品も 3D プリントできますか?

はい、内装、エンジン、構造、電気および油圧システム、特殊工具など、航空機のあらゆる分野で 3D パーツが使用されています。特殊なツールは資格の必要性が低いため、最も古いアプリケーションの 1 つです。特殊なツールには、ジグ、射出成形ツール、鋳造金型、アダプターが含まれます。航空機では、3D プリントされたマウント ブラケット、バルブ、ハウジング、ベアリング ケースも使用されています。

概要

この記事では、3D プリントの航空宇宙内装コンポーネントを紹介し、説明し、使用される材料の種類について説明しました。航空宇宙における 3D プリントの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

著作権および商標に関する通知

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Onyx™ は Markforged の登録商標です。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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