航空宇宙を変革する先進3Dプリント：材料、プロセス、分類

3Dプリント（積層造形）は航空宇宙産業で高く評価されています。重量や抗力のわずかな削減が莫大なコスト削減につながる業界において、3Dプリントは航空機メーカーにより軽量で燃費の良い航空機を、よりコスト効率よく製造することを可能にしました。航空宇宙産業は3Dプリントを主要部品の製造に広く採用した最初の産業の一つであり、このプロセスは設計と製造の境界を再定義しました。航空宇宙エンジニアは特定の3Dプリントプロセスの開発に大きく貢献し、3Dプリントが製造プロセスとして成熟するにつれて、業界は今日もその恩恵を受け続けています。

治具や試作工具から、ノズルやロケットボディのような最終用途部品まで、航空宇宙における3Dプリントは製造プロセスの支援と、航空機内の特定用途の両方を満たすために使用できます。本記事では、航空宇宙における3Dプリント、使用される材料とプロセス、さまざまな応用について説明します。

3Dプリントとは？

3Dプリント（積層造形）は、部品を層ごとに造形し、立体的な部品全体が完成するまで積み重ねる製造プロセスです。これは、工作物から材料を削り取って部品を作るCNC（コンピュータ数値制御）加工のような減法製造プロセスの対極にあります。3Dプリントは、雑貨、シンプルな工具、航空宇宙、自動車、医療、機械など複数の業界で使用される高度なコンポーネントの製造に利用できます。3Dプリント技術は1980年代から存在していましたが、21世紀に入ってから積層造形が複数工程を要する部品製造の有力な代替手段となったことで、その利用が爆発的に拡大しました。

航空宇宙産業はいつから3Dプリントを使用し始めたか？

航空宇宙産業は1990年代に3Dプリントを導入した最初の産業の一つです。1980年代の3Dプリント技術誕生以来、航空宇宙産業は3Dプリントプロセスと技術の開発に最大の貢献者の一つとなってきました。現在も業界はこのプロセスの最大の恩恵を受ける一角であり、情報源や市場変動によりますが、積層造形業界の総収益のほぼ15～20%を占めています。

航空宇宙産業で3Dプリントはどのように始まったか？

航空宇宙産業における3Dプリントの起源は1980年代後半に遡ります。当時、3Dプリントの最大の受益者は米軍と防衛産業でした。これらの分野では、各種航空機システムとコンポーネントのテストとシミュレーションのために、金属の安価な代替としてプラスチックを広く使用していました。

2000年代中期までは、航空宇宙産業での3Dプリントは主に試作とテストに用いられていました。その頃、選択的レーザー焼結（SLS）や溶融積層造形（FDM）などのプロセスで難燃性プラスチックの3Dプリントが可能になったことで、用途が拡大しました。21世紀最初の20年間で3Dプリントの進歩が続いた結果、航空宇宙コンポーネントのライフサイクル全体で、設計検証、工具、航空機メンテナンス用治具、ジェットエンジンの最終用途部品、航空機内装品など、用途が広がりました。

航空宇宙用途の3Dプリントで使用される材料の種類

航空宇宙産業用途では多様な材料が使用されます。一般的な材料を以下にリストアップし説明します：

1. セラミックス

セラミックスは無機非金属材料です。耐食性、軽量、耐高温性、耐摩耗性に優れ、航空宇宙用途に適しています。しかし、セラミックスは非常に硬く脆いため、部品への加工が困難です。カオリナイトと磁器粘土は3Dプリント可能なセラミックスの例です。セラミックス3Dプリントは、シリコンカーバイド製の衛星ミラーコンポーネント製造に用いられ、軽量化と剛性対強度比の向上を目指しています。

2. カーボンファイバー

カーボンファイバーは、長く極めて細いが強力な炭素原子のストランドです。カーボンファイバー複合材は鋼と同等の強さを持ちながらアルミニウムより軽量であるため、航空宇宙用途に理想的です。これによりメーカーは、航空機フレームと構造に3Dプリントカーボンファイバー部品を統合することで航空機性能を向上できます。しかし、カーボンファイバーは高価で製造が困難なため、航空宇宙産業での潜在的応用が制限されています。

3. 金属

金属は天然または合金材料で、他の材料と比較して熱と電気の優れた導体です。アルミニウム、チタン、ニッケル基超合金などの一般的な航空宇宙用金属は、耐食性と高い比強度（強度対重量比）から広く使用されています。3Dプリント金属は、エンジンコンポーネント、フレーム、構造、電子機器に使用されます。金属の主な欠点は比較的高密度であることで、航空機に過度に金属を使用すると航空機性能と燃費に悪影響を及ぼす可能性があります。

4. ポリマー

ポリマーは分子の繰り返し鎖で構成される材料です。航空宇宙で一般的なポリマーの例には、ナイロン、PEEK、ULTEM 9085（ポリエーテルイミドの一種）などの合成サーモプラスチックがあります。これらの材料で、シートバック、壁パネル、エアダクトなどの内装部品を3Dプリントできます。一般的にポリマーは軽量で耐久性があるため航空宇宙用途に適しています。しかし、金属に比べて弱く、金属が好まれる高荷重支持用途には使用できません。詳細については「ポリマーとは」ガイドを参照してください。

5. Inconel®

Inconel®はニッケル・クロム基超合金で、高温での強度と優れたクリープ・耐食性が評価されています。3Dプリント航空宇宙用途では、Inconel®はジェットタービンエンジンの燃料ノズル製造によく使用されます。Inconel®の主な欠点は高価な材料であることです。詳細については「インコネル金属とは」ガイドを参照してください。

6. 複合材料

複合材料は、互いの特性を補完し合う2つ以上の構成材料で構成されます。高強度・低重量、耐摩耗性向上などの構造的利点を持ちます。航空機用3Dプリント複合材料は、異なる材料の望ましい特性が相乗効果を生むため、より軽量で構造的に強靭な航空機を実現します。3Dプリント複合材料の欠点は高コストになり得ることです。

3Dプリント航空宇宙構造コンポーネントのイラスト。

航空宇宙産業における3Dプリントプロセスのステップ

3Dプリントは部品設計と機能の検証に役立ち、少量～中量生産ボリュームに使用できます。航空宇宙産業で用いられる3Dプリントプロセスの各ステップを以下にリストアップし説明します：

1. 設計

航空宇宙設計は一般的に、特定の航空機コンポーネントを示すコンセプトモデルから始まります。モデルはCADソフトウェアで作成され、.stlなどの3Dプリンター対応ファイル形式でエクスポートされます。

2. 準備

設計を3Dプリンターで造形する前に、最適なプリント品質を確保するための準備作業が必要です。準備方法は部品形状、3Dプリントタイプ、使用プリンターによって異なります。部品モデルは、最適な品質を確保するようプリンター内で配置・配向する必要があります。また、FDM（溶融積層造形）やSLS（選択的レーザー焼結）プリンターなど、一部のプリンターは使用前にプリントベッドまたはビルドプラットフォームの加熱を必要とします。

3. 造形

3Dモデルが所望通りに設定され、3Dプリントシステムがプリントタイプとマシンに応じて適切に準備されれば、部品を造形できます。造形時間は部品サイズとプリントタイプにより、数分から数日まで変動します。

4. 後処理

3Dプリント完了後、部品をビルドトレイから取り出します。ほとんどの3Dプリント部品は何らかの後処理を必要とします。しかし、手法によって後処理の程度は異なります。例えば、FDM造形部品はサポート材除去のみで済むことが多いのに対し、DED（指向性エネルギー堆積）造形部品は所望の寸法を得るために追加の機械加工プロセスを必要とします。

5. 試験

後処理完了後、3Dプリント部品を試験・評価します。設計変更が必要な場合、3Dプリントにより設計者は新設計を迅速に作成・テストできます。3Dプリント部品の意図した機能が満たされれば、少量～中量ロット生産用に3Dプリントするか、より伝統的な工法で製造します。

6. 部品認証

部品認証は、3Dプリントコンポーネントが厳格な安全性、性能、規制要件を満たすことを保証する航空宇宙産業における重要なステップです。認証プロセスには、材料試験、機械試験、連邦航空局（FAA）や欧州航空安全機関（EASA）などの航空宇宙規格への準拠が含まれます。部品は、実際の航空宇宙条件下での信頼性、耐久性、性能を証明するため、広範な検証手順を経る必要がある場合があります。

一度認証されれば、部品は生産航空機と航空宇宙用途での使用が承認され、業界規制と安全基準への準拠が保証されます。

航空宇宙産業で使用される3Dプリントの種類

航空宇宙産業で使用できる3Dプリントにはいくつかの種類があります。以下にリストアップします：

1. 溶融積層造形（FDM）

溶融積層造形（FDM）は、押し出されたサーモプラスチックフィラメントを用いて部品を層ごとに造形する3Dプリントタイプです。溶融プラスチックがノズルからビルドトレイに押し出されます。最初の層が冷却されると、次の層が堆積されます。このプロセスが層ごとに繰り返され、部品全体が完成します。航空宇宙でのFDMプリントは元々試作と設計検証目的で使用されていましたが、近年では機能的な航空機部品の製造にも使用されています。

2. 光造形（SLA）

光造形（SLA）は、精密に配置された感光性ポリマーレジンをUV光で硬化させて部品を層ごとに造形する3Dプリントプロセスです。SLAは非常に高解像度を提供し、風洞試験用モデルの作成によく使用されます。

3. 選択的レーザー焼結（SLS）

選択的レーザー焼結（SLS）は、サーモプラスチック粉末を精密に焼結・融着させて部品を層ごとに造形する3Dプリントプロセスです。1層が完了するとさらに粉末が堆積され、ビルドトレイが降下し、プロセスが繰り返されます。SLSは複雑形状部品を高解像度で製造するのに優れています。航空宇宙でのSLS 3Dプリントは、フレキシブルな気流コンポーネント（エアダクト、ノズルベゼルなど耐熱部品）の少量ロット生産に一般的に使用されます。

4. 電子ビーム溶解（EBM）

電子ビーム溶解（EBM）は、導電性金属粉末と電子ビームを用いて部品を層ごとに製造する3Dプリントプロセスです。プリントプロセスは真空中で行わなければならず、ガス分子が電子ビームから放出されるエネルギーを妨げないようにするためです。電子ビームは金属粉末を極めて高温に加熱し、溶融・融着させて部品を形成します。EBMはエンジンコンポーネントなどの金属部品製造に使用できます。

5. 指向性エネルギー堆積（DED）

指向性エネルギー堆積（DED）は、電子ビーム、レーザー、プラズマアークなどのエネルギー源を用いて、ノズルから堆積される粉末またはフィラメントを溶融させる3Dプリントプロセスです。EBMと似ていますが、真空を必要としません。DEDプリントはジェットタービンエンジンの金属部品製造に一般的に使用され、従来製造された金属部品の修復にも使用できます。

航空宇宙産業で使用される3Dプリントマシンの種類

航空宇宙産業で使用されるさまざまな3Dプリントマシンを以下に説明します：

1. 粉末床溶融（PBF）マシン

粉末床溶融（PBF）マシンは、SLSやEBMなどのプロセスで粉末を堆積・融着させる3Dプリントマシンです。PBFマシンの利点には、未使用粉末をリサイクルして将来のプリントに使用できること、選択可能なプラスチックと金属材料の幅が広いこと、部品製造に最小限のサポートで済むことが挙げられます。欠点として、部品プリントに高電力を要すること、部品が熱歪みを受けやすいこと、プリント時間が遅いことがあります。

2. 溶融積層造形（FDM）マシン

FDMマシンは、プラスチックフィラメントを層ごとに押し出して部品を作る3Dプリントマシンです。FDMマシンの利点には、低コスト、小フットプリント、プリント用材料の豊富なバリエーションがあります。しかし欠点もあります。FDM造形部品は反りやすく、積層方向に垂直な方向で弱いです。また、ノズル詰まりが起きやすく、頻繁なベッドキャリブレーションが必要です。

3. 光造形（SLA）マシン

SLAマシンは、UV発光LCDスクリーンまたはレーザーで感光性ポリマーを硬化させて部品を製造する3Dプリントマシンです。SLAマシンの利点には、高精度・高精密な部品のプリント能力、未使用レジンを将来のプリントジョブに保存できること、複雑で精巧なパターンのプリント能力があります。しかし、初期導入コストと維持費が高く、レジンが環境に優しくないという欠点があります。

4. 指向性エネルギー堆積（DED）マシン

指向性エネルギー堆積（DED）マシンは、レーザー、プラズマアーク、電子ビームなどの集光熱源で粉末またはフィラメントを溶融させて部品を製造する3Dプリンターです。DEDプリンターの主な利点は、造形部品の結晶粒構造を制御でき、少ない工具で大型部品を製造できることです。欠点として、造形精度が低く、所望寸法を得るために後処理が必要なこと、DEDマシンが高価で50万ドル以上することがあり、多くの組織にとって障壁となり得ることが挙げられます。

5. 連続繊維3Dプリント

FDMでも複合ポリマーをプリントできますが、チョップドファイバー（短繊維）を使用する傾向があり、長いカーボンファイバー固有の強度が損なわれます。連続繊維3Dプリントシステム（Markforgedなど）では、カーボンファイバーの連続長がプリントベッドに堆積されるため、最終部品がバルクカーボンファイバーの強度を保持できます。カーボンファイバーフィラメントは多くの場合サーモプラスチックでコーティングされ、ノズル通過時に加熱されることで、前の層にカーボンファイバーフィラメントが結合します。

航空機産業で3Dプリント部品が使用される用途の種類

航空機産業で3Dプリントによって製造できる部品の例を以下にリストアップします：

1. エンジンコンポーネント

エンジンコンポーネントに使用される材料は、高い機械的・熱的応力に耐える必要があります。燃料ノズルなどの部品は、EBM（電子ビーム溶解）やDED（指向性エネルギー堆積）などの3Dプリントプロセスで製造可能です。これらのプロセスによるノズル製造は効率的であるだけでなく、従来工法製ノズルより軽量です。これは航空機性能と環境影響に関連する大きなメリットをもたらします。

2. 構造コンポーネント

構造コンポーネントは、航空機の剛体を形成・支持する内外装コンポーネントです。ブラケットやウィッシュボーンなどの構造コンポーネントは、チタン、チタン合金、銅、ニッケル合金を用いたEBMやDEDなどの3Dプリントプロセスで製造できます。

3. メンテナンスと修理

航空機の安全な使用と長寿命を確保するため、定期的なメンテナンスと修理が行われます。EBMやDEDなどの3Dプリント手法で、チタン、ステンレス鋼、銅などの金属から、航空機メンテナンス・修理に必要なジグ、治具、工具を製造できます。

4. 内装コンポーネント

航空機内装コンポーネントには、アビオニクス機器からドアラッチや照明器具などの客室アクセサリーまで含まれます。FDM（溶融積層造形）とSLS（選択的レーザー焼結）は、航空機用プラスチック内装部品の製造に一般的に使用される2つの人気ある3Dプリント手法です。

5. 試作と工具

試作と工具とは、新しい設計コンセプトの設計・テストと関連工具の開発に関連するプロセスを指します。3Dプリントは、セットアップ作業がほとんど不要で複雑な部品をオンデマンドで作成できるため、航空宇宙産業の試作と工具作りに最適です。これにより新製品の迅速な開発とテストが可能になります。

3Dプリント航空宇宙部品とは？

以下はすべて3Dプリントで製造可能な機械的航空宇宙部品です：

1. 燃料ノズル
2. タービンブレード
3. ハウジング
4. 翼型（エアフォイル）
5. ドアラッチ
6. ダクトワーク
7. シートバック
8. パネル
9. トリムピース
10. エンジンコンポーネント
11. ロケットボディ
12. 燃料タンク
13. 宇宙船部品

航空機産業における3Dプリント技術の利点

航空機産業における3Dプリント応用にはいくつかの利点があります。以下に説明します：

1. 軽量化： 3Dプリントにより金属部品をより軽いプラスチック部品で置き換え可能です。3Dプリントで製造されたコンポーネントは航空機の全体重量を削減し、結果として燃料消費を減らし航空機性能を向上させます。
2. コスト効率： 3Dプリント部品は、伝統的製造プロセスで製造される部品よりはるかに少ない工程ステップで作れます。これにより全体的な製造コストと廃棄物を削減できます。

航空機産業における3Dプリント技術の欠点

航空機産業における3Dプリントにはいくつかの欠点もあります。以下に説明します：

1. 利用可能材料の制限： 多くの広く使用されるプラスチックと金属が3Dプリントと互換性がありますが、数千種類の合金と化合物は依然として非互換です。この事実は航空宇宙産業における3Dプリントの潜在的応用を制限します。
2. 部品構造の弱さ： FDM（溶融積層造形）やSLS（選択的レーザー焼結）などの一部の3Dプリント手法は、異方的特性（加わる荷重の方向によって特性が異なる）を持つ部品を生み出します。これは特定の荷重支持部品では望ましくなく、航空宇宙産業におけるさまざまな3Dプリント応用の可能性を制限します。
3. 時間のかかる認証プロセス： 航空宇宙は安全性重視の産業であり、新材料と新プロセスは航空機搭載前に認証と資格認定を受ける必要があります。これには多大な時間とコストがかかります。

航空機産業で3Dプリントを使用しているのは誰か？

3DプリントはR&D企業、航空機メーカー、メンテナンス会社によって使用されています。3Dプリントは航空宇宙部品のラピッドプロトタイピング、最終用途航空宇宙コンポーネントの少量～中量ロット生産、航空機メンテナンス用ジグ、治具、工具に使用できます。

航空分野における3Dプリント技術の将来の応用可能性は？

3Dプリントは航空宇宙産業にプラスの影響を与え続けるプロセスです。航空宇宙産業の環境負荷低減、産業内イノベーションの促進、航空機性能と製造効率の向上に、今後も長年にわたって貢献する態勢にあります。3Dプリント翼とグリーンアビエーションは、航空宇宙における将来の3Dプリント応用のほんの2例に過ぎません。

Xometryができること

Xometryは、CNC加工、3Dプリント、射出成形、レーザーカット、板金加工など、幅広い製造能力を提供しています。今すぐ即時見積もりを取得してください。

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1. Inconel®はSpecial Metals Corporation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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