航空機内装を変革する3Dプリント：軽量化、迅速化、コスト削減を実現

航空宇宙産業は、その誕生以来、あらゆる手段を用いて航空機の軽量化に取り組んできました。3Dプリント（積層造形）は、この目標を達成するための比較的新しい手法として注目されています。3Dプリント部品は、従来工法で製造された同等品と比較して、ほぼ常に短納期・軽量・低コストで製造可能です。この利点により、航空機内装品をはじめ、航空機のあらゆる分野で3Dプリント部品の採用が急速に進んでいます。航空機だけでなくロケット分野でも3Dプリントが活用されており、SpaceXとNASAの両者がロケットエンジンやノズルの3Dプリントを行っています。

航空機内装部品の3Dプリントの目的とは？

航空宇宙産業で3Dプリントの採用が拡大している理由は多岐にわたります。航空機内装部品を3Dプリントする主な目的は、重量削減（燃費向上）、材料廃棄物の削減、少量～中量ロット部品の迅速な製造です。さらに、CADデータをデータベースに保存し、必要に応じてプリントできるため、在庫を抱える必要がなくなります。また、部品を一体成型できるため、組立工程を省略できる点も大きなメリットです。

航空機内装部品の3Dプリントはどのように機能するか？

航空機内装部品の3Dプリントは、一般的な3Dプリント部品と同じプロセスで行われます。基本的に必要なのはCADファイルと3Dプリンターのみです。すでにCADシステムで部品設計が完了していれば、そのファイルをスライスして3Dプリンターに入力可能なGコード（プリントヘッドの移動ベクトル列）に変換します。ファイルをプリンターにアップロードすればプリント開始です。プリント内容によっては後処理が必要な場合があります。通常、後処理は研磨技法を用いてサポート構造を除去する作業です。このプロセスは、少量生産や、従来なら長いリードタイムと高コストを要する複雑形状部品の製造に最も効果的です。

航空宇宙産業における3Dプリントの利点

航空宇宙産業における3Dプリントの主な利点は以下の通りです。

1. 重量削減
2. 燃費向上（重量削減による）
3. リードタイムの短縮
4. ジェネレーティブデザインの容易な活用
5. 材料廃棄物の最小化
6. 迅速な試作

航空宇宙産業における3Dプリントの欠点

一方で、3Dプリントには以下のような欠点も存在します。

1. 大量生産にはコスト・時間の面から不向き
2. プリントベッドのサイズによる制約
3. 材料の制約（ただし対応材料は拡大中）
4. 積層方向（XY方向）で強度が低下する異方性
5. 品質のばらつきが大きい

3Dプリント航空機内装部品の適用例

航空機内装向け3Dプリント部品の多くは非構造部品ですが、その適用範囲は急速に拡大しています。主な適用例は以下の通りです。

1. ベント（通気口）
2. ダクト
3. バッフル
4. ケーブルマネジメント
5. 電気ハウジング
6. カバー
7. トリム
8. ドアラッチ
9. アームレスト
10. 取付ブラケット

航空機内装部品3Dプリントに使用される材料

航空機内装用途でプリント可能な材料には様々なグループがあります。代表的な材料群を以下に示します。

1. ポリマー

3Dプリント部品に用いられる一般的なポリマーには、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）があります。ポリマー3Dプリント部品は、内部を少量のインフィル（充填率）で支える中空構造となるため、置き換え対象の部品より軽量です。プラスチック3Dプリント部品はCADファイルから3Dプリンターで造形され、カバー、ダクト、スペーサー、カーテンヘッダー、カップホルダーなど多様な用途に使用されます。3Dプリント部品は置き換え対象と同等の耐久性を持ちますが、荷重を受けるZ方向の強度は劣ります。

2. カーボンファイバー

カーボンファイバーは、ナイロンなどのポリマー内に、連続繊維またはチョップド（短繊維）の形でプリントされます。連続繊維は別のプリントヘッドでポリマー部品の内部に配置され、チョップドカーボンファイバーは1mm未満の長さでフィラメント内に含有されます。連続カーボンファイバーは荷重経路に沿って配置し、特定方向の強度を高めます。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向上させます。カーボンファイバー強化プラスチックが用いられる例として、ライトスイッチパネル、客室空調部品、ドアラッチなどがあります。カーボンファイバープリント部品は高い耐久性を持ち、多くのアルミニウム部品を置き換えています。

3. 金属

金属3Dプリントはポリマーとはやや異なるプロセスで行われます。金属粉末をレーザーで溶融・凝固させ、プリントベッドおよび後続層に融着させる「選択的レーザー焼結（SLS）」が用いられます。金属3Dプリント部品は、構造・飛行クリティカルな部品に使用されるため認証ハードルが高く、採用例はまだ少ないです。しかし、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、熱交換器などでは3Dプリント金属が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が、PLAやABSとは異なり、より柔軟で高耐久です。剛性と強度はPLAやABSより劣りますが、衝撃耐性はABSの約10倍です。ナイロンは他のポリマーと同様にプリントされますが、低強度を補うためカーボンファイバー強化が施されることが一般的です。Markforged社のOnyx™はカーボンファイバー強化ナイロンで、機内エンターテインメントコンソール、パネルスイッチ、シートフレームなどに採用実績があります。

5. ガラス繊維

カーボンファイバーと同様に、ガラス繊維も3Dプリントポリマーの補強材として使用されます。連続繊維とチョップド繊維の両形式があり、チョップド繊維はフィラメントに混入され部品全体を補強し、連続繊維は特定の荷重経路を強化します。ガラス繊維はカーボンファイバーより安価で強度は劣りますが、カーボンファイバーほどの強度が不要な用途に適しています。また、ガラス繊維もカーボンファイバーと同様に、置き換え対象の多くの金属部品より疲労寿命が長い特徴があります。

航空機内装部品3Dプリントの将来展望

航空機内装における3Dプリント部品の将来は明るいです。すでに多くの用途が見つかっていますが、さらに多くの応用が期待されています。専用工具を必要とせず特殊部品を製造できるようになったこと、使用可能な材料の幅が広がっていることが要因です。すでに航空機内装には数百種類の3Dプリント部品が採用されており、米国航空宇宙・防衛市場が2026年までに55.8億ドルに達すると予測される中、この採用はさらに拡大すると見られています。

詳細については、「3Dプリンターの仕組み」ガイドを参照してください。

航空機内装部品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はロケット製造に3Dプリントを活用しています。ロケットエンジンやノズルの製造に用いており、Inconel（インコネル）を用いた直接金属レーザー焼結（DMLS）でSuperDracoエンジンチャンバーを造形しています。また、Merlin 1Dエンジンの主酸化剤バルブ（MOV）ボディも3Dプリントで製造し、従来7か月かかっていた製造期間を2日間に短縮、メンテナンスサイクルも削減しました。

NASAは宇宙空間で3Dプリンターを使用していますか？

はい、NASAは宇宙空間で3Dプリンターを使用しています。2014年、Made In Space社製のプリンターを国際宇宙ステーション（ISS）に搭載し、プリントヘッドフェイスプレートを造形しました。造形品は地球に帰還させ分析され、地上で造形した試験片との差異は確認されませんでした。この成果により、宇宙空間での3Dプリントの可能性が広がりました。材料をリサイクル・再利用できるため、ISSへの重要部品輸送に要していた数週間～数か月のリードタイムを大幅に短縮できます。

内装部品以外の航空機部品も3Dプリントできますか？

はい、航空機のあらゆる領域で3Dプリント部品が使用されています。内装、エンジン、構造、電気・油圧システム、専用治工具などです。専用治工具は認証不要で導入しやすいため、最も古い用途の一つです。治工具にはジグ、射出成形金型、鋳造金型、アダプターなどが含まれます。その他、マウントブラケット、バルブ、ハウジング、ベアリングケースなども3Dプリントで製造されています。

まとめ

本記事では、航空機内装部品の3Dプリントについて、その概要、使用材料、メリット・デメリット、適用例を解説しました。航空宇宙分野における3Dプリントについてさらに詳しく知りたい方は、Xometryの担当者までお問い合わせください。

Xometryでは、3Dプリントをはじめとする幅広い製造サービスを提供しており、試作から量産まであらゆるニーズに対応可能です。ウェブサイトをご覧いただくか、無料・無義務のお見積もりをご依頼ください。

著作権および商標に関する注意事項

1. Onyx™はMarkforgedの登録商標です。

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Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学のB.Eng Honorsを取得し、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなど大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

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