航空宇宙に革命を起こす:高度な 3D プリンティング材料、プロセス、分類
積層造形としても知られる 3D プリンティングは、航空宇宙産業で高く評価されています。重量や抵抗の削減が大幅なコスト削減につながる業界において、航空宇宙メーカーは 3D プリンティングにより、よりコスト効率の高い方法で、より軽量で燃料効率の高い航空機を作成できるようになりました。航空宇宙産業は、主要コンポーネントの製造に 3D プリンティングを広く採用した最初の産業の 1 つであり、このプロセスにより設計と製造の境界が再定義されました。航空宇宙エンジニアは特定の 3D プリント プロセスの開発に貢献しており、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。
治具やプロトタイプのツールから、ノズルやロケット本体などの最終用途部品に至るまで、航空宇宙における 3D プリンティングは、製造プロセスを支援し、航空機内の特定の用途を満たすために使用できます。この記事では、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、およびそのさまざまな用途について説明します。
3D プリントとは何ですか?
積層造形としても知られる 3D プリンティングは、3 次元部品全体が完成するまで部品を層ごとに作成する製造プロセスです。これは、CNC (コンピューター数値制御) 加工のようなサブトラクティブ製造プロセスの逆であり、ワークピースから材料を除去して部品を作成します。 3D プリントは、航空宇宙、自動車、医療、機械などのさまざまな業界で使用される装身具、シンプルなツール、高度なコンポーネントの製造に使用できます。 3D プリント技術は 1980 年代から存在していましたが、積層造形が複数の製造プロセスを必要とする部品を製造する確実な代替手段となったため、21 世紀初頭からその使用が爆発的に増加しました。
航空宇宙産業はいつから 3D プリントを使用し始めましたか?
航空宇宙産業は、1990 年代に 3D プリンティングを導入した最初の産業の 1 つです。 1980 年代に 3D プリンティング技術が始まって以来、航空宇宙産業は 3D プリンティングのプロセスと技術の開発に最も大きく貢献してきた企業の 1 つです。現在でも、この業界はこのプロセスの最大の受益者の 1 つであり、積層造形業界が生み出す総収益のほぼ 15% ～ 20% を占めています (供給源と市場の変動によって異なります)。
航空宇宙産業で 3D プリントはどのようにして始まったのでしょうか?
航空宇宙産業における 3D プリンティングの起源は 1980 年代後半に遡ります。当時、3D プリンティングの最大の恩恵を受けたのは米軍と防衛産業でした。これらの分野では、さまざまな航空機システムやコンポーネントのテストやシミュレーションを行うために、金属に代わる安価な代替品としてプラスチックが広く使用されていました。
3D プリンティングは、選択レーザー焼結 (SLS) や溶融堆積モデリング (FDM) などのプロセスを通じて難燃性プラスチックを 3D プリントできるようになった 2000 年代半ばまで、主に航空宇宙産業でのプロトタイピングやテストに使用されていました。 21 世紀の最初の 20 年間を通じて 3D プリンティングの進歩が続くにつれて、航空宇宙用途での使用が拡大しました。現在では、プロトタイプの作成と設計の検証、ツール、航空機メンテナンス用の治具、ジェット エンジンの最終用途部品、航空機の内装など、航空宇宙コンポーネントのライフサイクル全体にわたるアプリケーションに使用されています。
航空宇宙用途の 3D プリントではどのような種類の材料が使用されますか?
航空宇宙産業の用途では、さまざまな材料が使用されています。使用される一般的な材料を以下にリストし、説明します。
1.セラミックス
セラミックは無機の非金属材料です。耐食性、軽量、耐高温性、耐摩耗性により、航空宇宙用途に最適です。しかし、セラミックは非常に硬くて脆いため、部品として加工することが困難です。カオリンと磁器粘土は、3D プリントして部品を作成できるセラミックの 2 つの例です。セラミック 3D プリントを使用して、重量を軽減し、剛性と強度の比を向上させることを目的として、炭化ケイ素から作られた衛星ミラー コンポーネントを作成できます。
2.カーボンファイバー
カーボンファイバーは長くて非常に薄いですが、強力な炭素原子の鎖です。炭素繊維複合材料は、鋼鉄と同等の強度を持ちながらアルミニウムよりも軽いため、航空宇宙用途に最適です。これにより、メーカーは 3D プリントされたカーボンファイバー部品を航空機のフレームや構造に統合することで、航空機の性能を向上させることができます。ただし、炭素繊維は高価で製造が難しいため、航空宇宙産業での潜在的な用途が制限されます。
3.金属
金属は天然に存在する材料または合金材料であり、他の材料と比較して熱と電気の優れた伝導体です。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、その耐食性と高い強度対重量比により広く使用されています。 3D プリントされた金属は、エンジン部品、フレーム、構造物、電子機器に使用されています。金属の主な欠点は、金属が比較的密度が高いことであり、航空機に金属を過剰に使用すると、航空機の性能や燃料効率に悪影響を与える可能性があります。
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。航空宇宙におけるポリマーの一般的な例には、ナイロン、PEEK、ULTEM 9085 (ポリエーテルイミドの一種) などの合成熱可塑性プラスチックが含まれます。これらの材料は、シートバック、壁パネル、エアダクトなどの内装コンポーネントの 3D プリントに使用できます。一般に、ポリマーは軽量で耐久性があるため、航空宇宙用途に最適です。ただし、ポリマーは金属に比べて弱いため、金属が好まれる高耐荷重用途には使用できません。詳細については、「ポリマーとは何か」に関するガイドを参照してください。
5.インコネル®
インコネル® は、高温での強度と優れた耐クリープ性および耐食性が評価されているニッケルクロムベースの超合金です。 3D プリンティングの航空宇宙用途では、インコネル® は燃料ノズルを製造するためにジェット タービン エンジンでよく使用されます。インコネルの主な欠点は、高価な材料であることです。詳細については、「インコネル メタルとは」に関するガイドを参照してください。
6.複合材料
複合材料は、特性が互いに補完し合う 2 つ以上の構成材料で構成されます。複合材料には、高強度、軽量、耐摩耗性の向上などの構造上の利点があります。航空機の 3D プリント用複合材料は、さまざまな材料の望ましい特性が相乗効果を発揮するため、より軽量で構造的に弾力性のある航空機の実現につながります。 3D プリント複合材料の欠点は、高価になる可能性があることです。
3D プリントされた航空宇宙構造コンポーネントの図。
航空宇宙産業における 3D プリント プロセスの手順は何ですか?
3D プリントは部品の設計と機能を検証するのに役立ち、小規模から中規模の生産量に使用できます。航空宇宙産業で使用される 3D プリント プロセスの各部分を以下にリストし、説明します。
1.デザイン
航空宇宙デザインは通常、特定の航空機コンポーネントを紹介するコンセプト モデルとして始まります。モデルは CAD ソフトウェアで作成され、.stl などの 3D プリンタに適したファイル形式にエクスポートされます。
2.準備
3D プリンターでデザインを製造する前に、最適な印刷品質を確保するために特定の準備作業を完了する必要があります。準備方法は、パーツの形状、3D プリントの種類、使用するプリンターによって異なります。部品モデルは、最適な品質を保証する方法でプリンタで構成および方向付けされる必要があります。さらに、FDM (溶融堆積モデリング) プリンターや SLS (選択的レーザー焼結) プリンターなどの一部のプリンターでは、使用前にプリント ベッドまたはビルド プラットフォームを加熱する必要があります。
3.印刷
3D モデルを必要に応じて構成し、使用する 3D プリンティングと印刷機の種類に応じて 3D プリンティング システムを適切に準備したら、部品を製造できます。印刷時間は、パーツのサイズと使用する印刷の種類に応じて、数分から数日まで異なります。
4.後処理
3D プリントが完了したら、パーツをビルド トレイから取り外すことができます。ほとんどの 3D プリント部品には後処理が必要です。ただし、ある方法で印刷された部品は、別の方法で作成された部品よりも多くの後処理が必要になる場合があります。たとえば、FDM 印刷パーツでは多くの場合、サポート材の除去のみが必要ですが、DED (直接エネルギー堆積) 印刷パーツでは、希望の寸法を得るために追加の機械加工プロセスが必要です。
5.テスト
後処理が完了すると、3D プリントされた部品がテストされ、評価されます。デザインの変更が必要な場合、3D プリントを使用すると、デザイナーは新しいデザインを迅速に作成してテストできます。 3D プリントされた部品の意図された機能が満たされている場合、その部品は小規模から中規模のバッチ生産用に 3D プリントすることも、より伝統的な方法で製造することもできます。
6.部品認定
部品認証は、3D プリントされたコンポーネントが厳しい安全性、性能、規制要件を満たしていることを確認するための航空宇宙産業にとって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、および連邦航空局 (FAA) や欧州連合航空安全局 (EASA) などの航空宇宙規格への準拠が含まれます。実際の航空宇宙条件における部品の信頼性、耐久性、性能を証明するには、部品に広範な検証手順が必要になる場合があります。
部品が認証されると、量産航空機や航空宇宙用途での使用が承認され、業界の規制や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 プリントにはどのような種類がありますか?
航空宇宙産業で使用できる 3D プリントにはいくつかの異なるタイプがあります。これらを以下に示します。
1.溶融堆積モデリング (FDM)
溶融堆積モデリング (FDM) は、押し出された熱可塑性フィラメントを利用してパーツを層ごとに作成する 3D プリンティングの一種です。溶融プラスチックがノズルから造形トレイ上に押し出されます。最初の層が冷えると、次の層が堆積されます。このプロセスは、パーツ全体が完成するまで、レイヤーごとに繰り返されます。航空宇宙における FDM 印刷は、もともとプロトタイピングや設計検証の目的で使用されていましたが、最近では航空機の機能部品の製造にも使用されています。
2.光造形 (SLA)
ステレオリソグラフィー (SLA) は、正確に配置された感光性ポリマー樹脂を利用し、UV 光で硬化してパーツを層ごとに作成する 3D プリンティング プロセスです。 SLA は非常に高い解像度を提供し、風洞試験用の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、熱可塑性粉末を正確に焼結および融合して部品を層ごとに形成する 3D プリンティング プロセスです。層が完成すると、さらに粉末が堆積され、造形トレイが下降し、このプロセスが繰り返されます。 SLS は、複雑な形状の部品を高解像度で製造するのに最適です。航空宇宙における SLS 3D プリントは、エア ダクトなどの柔軟なエアフロー コンポーネントやノズル ベゼルなどの耐熱部品の小バッチ生産に一般的に使用されています。
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使用して部品を層ごとに製造する 3D プリンティング プロセスです。印刷プロセスは、電子ビームが放出するエネルギーがガス分子に干渉されるのを防ぐために、真空中で行う必要があります。電子ビームは金属粉末を極めて高温に加熱し、金属粉末を溶かして融合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の製造に使用できます。
5.直接エネルギー堆積 (DED)
指向性エネルギー蒸着 (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使用して、ノズルから蒸着される粉末やフィラメントを溶かす 3D 印刷プロセスです。このプロセスは EBM に似ていますが、完了するために真空を必要としません。 DED 印刷は、ジェット タービン エンジンの金属部品の製造に一般的に使用されており、伝統的に製造されている金属部品の修理にも使用できます。
航空宇宙産業で使用される 3D プリント機にはどのような種類がありますか?
航空宇宙産業で使用されるさまざまなタイプの 3D プリント機については、以下で説明します。
1.粉末床溶融 (PBF) マシン
パウダー ベッド フュージョン (PBF) マシンは、粉末を堆積し、SLS や EBM などのプロセスを通じてそれらを融合する 3D プリンティング マシンです。 PBF マシンの利点には、将来の印刷プロセスのために未使用の粉末をリサイクルできること、プラスチックおよび金属材料の幅広い選択肢、および部品の製造に必要なサポートが最小限であることが含まれます。 PBF マシンの欠点としては、パーツの印刷に高電力が必要なこと、熱歪みの影響を受けやすいパーツ、印刷時間が遅いことが挙げられます。
2.溶融堆積モデリング (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成する 3D プリンティング マシンです。 FDM マシンには、低コスト、小さな設置面積、印刷に利用できる多種多様な材料など、いくつかの利点があります。ただし、FDM マシンには欠点もあります。 FDM で印刷された部品は反りやすく、印刷層に垂直な方向に弱いです。さらに、FDM マシンはノズルが詰まりやすいため、ベッドのキャリブレーションが頻繁に必要になります。
3.光造形 (SLA) 装置
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 プリンティング マシンです。 SLA マシンの利点には、高精度で正確な部品を印刷できること、未使用の樹脂を将来の印刷ジョブのために保存できること、複雑で入り組んだパターンを印刷できることが含まれます。ただし、SLA マシンの欠点としては、初期費用とメンテナンス費用が高額であること、樹脂が環境に優しくないことが挙げられます。
4.直接エネルギー蒸着 (DED) マシン
直接エネルギー蒸着 (DED) マシンは、粉末やフィラメントを溶かすレーザー、プラズマ アーク、電子ビームなどの集中熱源を使用して部品を製造する 3D プリンターです。 DED プリンタの主な利点は、印刷部品の粒子構造を制御できることと、少ない工具で大きな部品を作成できることです。 DED マシンの欠点としては、部品の精度が低いこと、希望の寸法を得るために後加工が必要なことなどが挙げられます。さらに、DED マシンは高価であり、50 万ドルを超える場合もあり、これが多くの組織にとって障壁となる可能性があります。
5.連続繊維 3D プリント
FDM は複合ポリマーを印刷できますが、切断された繊維を使用する傾向があり、長い炭素繊維に見られる固有の強度が低下します。連続繊維 3D プリンティング システム (Markforged など) を使用すると、連続した長さのカーボン繊維がプリント ベッド上に堆積され、最終部品がバルク カーボン繊維の強度を維持できるようになります。多くの場合、カーボンファイバー フィラメントは熱可塑性樹脂でコーティングされており、ノズルを通過する際に加熱され、カーボン ファイバー フィラメントがその前の層に結合します。
航空機産業では 3D プリント部品はどのような種類の用途に使用されていますか?
以下に挙げるのは、航空機産業向けに 3D プリントで製造できる部品の例です。
1.エンジンコンポーネント
エンジン部品に使用される材料は、高い機械的ストレスや熱ストレス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 (直接エネルギー蒸着) などの 3D プリンティング プロセスで作成できます。これらのプロセスを使用したノズルの製造はより効率的であるだけでなく、ノズル自体も従来の製造方法で製造されたものよりも軽量です。これにより、航空機のパフォーマンスと環境への影響に関して、大きなプラスのメリットがもたらされます。
2.構造コンポーネント
構造コンポーネントは、航空機の剛体の形成と支持に役立つ内部コンポーネントと外部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、ニッケル合金を使用して、EBM や DED などの 3D プリント プロセスで作成できます。
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に、航空機のメンテナンスと修理が定期的に行われます。 EBM や DED などの 3D プリント手法を使用すると、航空機のメンテナンスや修理に必要な治具、固定具、ツールをチタン、ステンレス鋼、銅などの金属から製造できます。
4.内装部品
航空機の内装部品には、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付属品に至るまで、あらゆるものが含まれます。 FDM (溶融堆積モデリング) と SLS (選択的レーザー焼結) は、航空機のプラスチック内装部品の製造によく使用される 3D プリントの 2 つの一般的な方法です。
5.プロトタイピングとツール
プロトタイピングとツールは、新しい設計コンセプトの設計とテスト、および関連ツールの開発に関連するプロセスを指します。 3D プリントは、セットアップ作業をほとんど必要とせずに複雑な部品をオンデマンドで作成できるため、航空宇宙産業向けのプロトタイプやツールの作成に最適です。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 プリントされた航空宇宙部品とは何ですか?
以下は、すべて 3D プリントで作成できる航空宇宙機械部品です。
<オル>航空機産業における 3D プリント技術の利点は何ですか?
航空機産業における 3D プリンティング アプリケーションにはいくつかの利点があります。それらについては以下で説明します。
<オル>航空機産業における 3D プリント技術の欠点は何ですか?
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。いくつかの欠点を以下に説明します。
<オル>3. 時間のかかる認証プロセス:航空宇宙産業は安全重視の産業であり、新しい材料とプロセスは航空機で使用する前に認証と認定を受ける必要があります。これには時間もコストもかかります。
航空機業界で 3D プリントを使用しているのは誰ですか?
3D プリンティングは、研究開発会社、航空機メーカー、整備会社で使用されています。 3D プリントは、航空宇宙部品のラピッド プロトタイピングや、最終用途の航空宇宙コンポーネント、ジグ、備品、航空機メンテナンス用ツールの小～中量のバッチ生産に使用できます。
航空分野における 3D プリント技術の応用には、将来どのような可能性があるのでしょうか?
3D プリンティングは、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。航空宇宙産業による環境への悪影響を軽減し、業界内のイノベーションを強化し、今後何年にもわたって航空機の性能と製造効率の両方を向上させる構えです。 3D プリントされた翼とグリーン アビエーションは、航空宇宙における将来の 3D プリント アプリケーションの 2 つの例にすぎません。
Xometry がどのように役立つか
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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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