3D プリントが航空機産業を変える 8 つの方法

航空機産業は常に進化しており、安全性、効率性、性能を向上させるために新しい技術が導入されています。航空機の製造とメンテナンスに革命をもたらしたテクノロジーの 1 つが 3D プリンティングです。積層造形としても知られる 3D プリンティングでは、従来の製造方法では製造できない複雑な形状を備えた複雑な部品の作成が可能になります。 

航空宇宙産業は 3D プリンティングを早くから導入しており、今でもその進歩に大きく貢献しています。 1989 年以来、この業界の企業は 3D プリンティング技術を活用してきました。 3D プリンティングは、航空機部品のプロトタイピングや製造から、メンテナンスや修理、工具、内装デザインに至るまで、この業界で幅広い用途に使用されています。この記事では、航空機産業における 3D プリントの 8 つの用途について説明し、このテクノロジーが安全性の向上、コストの削減、生産効率の向上にどのように使用されているかに焦点を当てます。

3D プリンティングを使用して治具、治具、その他のツーリング機器を製造できるため、生産効率が向上し、コストが削減されます。航空機会社は各飛行機に多数の治具、テンプレート、ガイド、ゲージを必要としますが、3D プリントにより費用対効果が高く効率的な生産が可能になります。通常、このプロセスにより、他の製造方法と比較してコストとリードタイムが 60 ～ 90% 削減されます。

2.イノベーション

3D プリントを使用すると、従来の方法では製造できない複雑な部品の製造が可能になります。これには、ブラケット、ハウジング、タービンブレードなど、複雑な形状をした軽量部品が含まれます。 3D プリントを使用すると、航空機の部品をカスタマイズすることもできます。エンジニアは、特定の航空機のニーズに合わせた部品を設計および印刷できます。このカスタマイズにより、各航空機が目的の用途に合わせて最適化され、パフォーマンスと安全性が向上します。

3.プロトタイピング

3D プリントの最も重要な利点の 1 つは、機能的なプロトタイプを迅速に作成できることです。 3D プリントを使用すると、数日または数週間ではなく、数時間以内に部品やコンポーネントのプロトタイプを作成することができます。これは、デザイナーが迅速にデザインを繰り返し、新しいアイデアをテストし、形状とフィット感を検証できることを意味します。これにより、CNC 加工や射出成形などの従来のプロトタイピング方法に関連する時間とコストを削減できます。

4.サロゲート

サロゲートは、最終的に最終アセンブリに取り付けられるコンポーネントを表すために生産中に使用される一時的な部品です。これらの代理パーツは主にトレーニング補助として機能します。 NASA や多くの空軍基地が製造現場で航空機の部品を製造する際によく使用されます。

5.交換部品

交換部品は、航空機内の損傷または摩耗したコンポーネントを交換するために製造および取り付けられる部品です。交換部品に 3D プリントを使用すると、製造時間が短縮され、コストが削減され、従来の方法では製造が困難または不可能な部品を製造できるという利点があります。

3D プリントされたエアダクトのイラスト

6.カスタマイズ

3D プリントの柔軟性により、従来の製造方法では不可能なレベルのカスタマイズが可能になります。これは、すべての航空機が独自であり、特定の顧客の要件を満たすために修正が必要になることが多い航空宇宙産業で特に役立ちます。 3D プリントを使用すると、設計者は個々の航空機や顧客のニーズに合わせたオーダーメイドの部品を簡単に作成できます。

航空宇宙産業は、航空機の性能向上により複雑な独自のコンポーネントのコストが正当化される場合、3D プリンティング テクノロジーから大きな影響を受けます。たとえば、特別に設計および製造された単一の 3D プリント コンポーネントは空気抵抗を 2.1% 削減し、それによって燃料費を 5.41% 削減できます。この技術により、貨物、旅客、ヘリコプターなど、特定の航空機や航空機の種類に合わせてカスタマイズされた軽量ブラケットが可能になります。さらに、3D プリントは、多くのカスタム航空宇宙コンポーネントの部品統合とトポロジーの最適化を実現します。

7.軽量化

航空宇宙産業は、燃料効率と性能を向上させるために航空機部品の重量を軽減する方法を常に模索しています。航空機の重量を軽減することは、飛行による環境への影響を最小限に抑える上で重要な要素です。 3D プリントされたパーツは空気抵抗を減らすことで軽量化に貢献し、結果として燃料消費量も削減します。

一定の速度では、翼が十分な揚力を生成する必要があるため、航空機の重量により抗力が増加します。ただし、巡航高度に最も大きな影響を与えるのは重量です。重い航空機は揚力に必要な空気密度のため、巡航高度が低くなります。空気密度が大きいと抗力が大きくなり、結果として燃料消費量が増加します。炭素繊維材料と形状記憶合金を使用すると、建設効率を高めながら航空機の重量を軽減できます。

8.取り付けブラケット

3D プリンティング技術の使用は、構造的に健全で、複雑な救命システムを航空機の内壁に取り付けることができる少量の金属ブラケットの生産において広く普及しています。通常、製造プロセスには、航空宇宙産業に必要な安全基準を満たす高品質のブラケットを作成するために、直接金属レーザー焼結 (DMLS) または選択的レーザー溶解 (SLM) 技術が含まれます。

航空宇宙産業で 3D プリントが重要なのはなぜですか?

航空宇宙産業における 3D プリンティングの重要性は、主に航空機の設計と部品製造の改善にあります。 3D プリントでは、従来の製造方法では製造できない、複雑で軽量かつ耐久性のある部品を製造できます。これにより、航空宇宙産業にとって重要なブラケット、ハウジング、タービンブレードなど、複雑な形状のコンポーネントの製造が可能になりました。 

さらに、オンデマンドかつ低コストで部品を製造できるため、航空機メーカーは在庫とリードタイムを削減できると同時に、特定の用途向けにカスタマイズされた部品を設計および製造できるようになりました。さらに、ツーリング、治具、治具に 3D プリントを使用することで、大幅なコスト削減と生産効率の向上が実現しました。 

3D プリントは航空宇宙産業にどのような影響を与えましたか?

3D プリントは、次のようなさまざまな分野で航空宇宙産業に革命をもたらしています。

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治具、治具、ゲージ、テンプレートの製造によるコスト削減

トレーニングを目的としたプレースホルダー パーツの作成

航空機内で構造機能を果たす金属ブラケットの製造

3D プリントされたプロトタイプを利用して完成部品の形状とフィット感を改善する

ドアハンドルやコックピットのダッシュボードなど、航空機の内装部品の製造

より軽量でより効率的なエンジンとタービンのコンポーネントの製造は、3D プリント技術の進歩によるものと考えられます。

従来の方法では製造が困難または不可能だった複雑で軽量な部品の製造が可能になり、より強力で効率的、より安全な航空機が実現します。

高価な工具や金型の必要性を排除することで、部品やコンポーネントの製造にかかる時間とコストを削減し、在庫を削減し、サプライ チェーンの効率を向上させる

宇宙での積層造形の使用など、航空宇宙製造におけるイノベーションにより、オンデマンドでの部品の生産が可能になり、高価で時間のかかる供給ミッションの必要性が軽減されました。

航空宇宙分野で 3D モデリングはどのように使用されていますか?

3D モデリングは、航空宇宙産業で幅広い用途に使用されます。 3D モデリングは、オブジェクトまたは構造の 3 次元表現を作成するプロセスです。 3D モデリングが使用される方法の 1 つは、航空機の格納庫の構築です。エンジニアは格納庫の 3D モデルを作成して、格納庫を組み立てる方法や格納庫が周囲の環境とどのように相互作用するかを理解できるようにします。

3D モデリングが使用されるもう 1 つの方法は、航空機の機体の設計です。エンジニアは 3D モデルを使用して、さまざまな設計が飛行機の他の部分や周囲の空気とどのように相互作用するかをテストします。また、3D モデルを使用してプロトタイプを作成し、他の材料が機体の強度と耐久性にどのような影響を与えるかをテストすることもできます。 3D モデルは、プロジェクトに関連する材料、労働力、その他の経費に関する情報を含め、航空機または航空宇宙プロジェクトの価格とコストを見積もるのにも役立ちます。 

3D モデルは、プロジェクトの詳細な計画と仕様も提供します。 3D スキャンでは、プロジェクトのさまざまな部分やコンポーネントに関する大量のデータを保存できます。最後に、3D モデルは、エンジニアが構造を部品やコンポーネントに分解して詳細に分析するのに役立ちます。これにより、エンジニアは特定の機能がどのように機能するかをより深く理解したり、潜在的な設計上の問題を特定したりすることができます。

航空宇宙企業はどのような 3D プリントを使用していますか?

多くの航空宇宙企業は、さまざまな用途で 3D プリントを使用しています。 3D プリントを使用する航空宇宙産業の主要企業には次のようなものがあります。

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エアバス

ボーイング

ロッキード・マーティン

GE アビエーション

ロールスロイス

スペースX

NASA

これらの航空宇宙企業は、3D プリント技術を使用して航空機の部品を作成しています。また、生産プロセスでの 3D プリントの使用の検討も開始しています。

ボーイングは 3D プリントをどのように使用していますか?

ボーイングは以前から 3D プリンティングの実験に取り組んできました。同社は数年前、衛星の製造に 3D プリンティングの使用を開始しました。 2019 年には、積層造形によって初の金属製衛星アンテナを作成しました。このアンテナはイスラエルの企業スペースコム向けに作られ、同年 8 月に同社の AMOS 17 衛星とともに打ち上げられました。大規模なアセンブリ内の複数の部品を 1 つの 3D プリント部品に置き換えることで、ボーイングはアンテナの重量を削減し、アンテナの製造にかかる時間を短縮することができました。

ボーイング社は、最高級ジェット機の製造にも積層造形を利用しています。新しいボーイング 777x は、GE アビエーションによる世界最大のジェット エンジンである GE9X エンジンを 2 基搭載しています。 300 以上の印刷部品を組み込むことでエンジンの重量が軽減され、ボーイング 777x は世界で最も効率的な双発ジェット機となり、燃料消費量が 12% 削減され、運航コストが 10% 削減されました。

3D プリントは宇宙旅行にどのようなメリットをもたらしますか?

宇宙用途の製造には高度な精度が必要です。 DMLS (直接金属レーザー焼結) や EBM (電子ビーム溶解) などの積層造形プロセスは、公差に近い部品の製造に優れています。層が 20 または 40 ミクロンほど薄い場合、高レベルの寸法精度が達成可能です。ただし、SLM (選択的レーザー溶解) などの一部の金属 3D プリンティング技術は、かさばる性質、大きな電力要件、可燃性粉末や呼吸器への危険性の関連性により、微小重力環境には適していません。 NASA とそのパートナーは、国際宇宙ステーションでの使用に適した金属印刷技術を開発しており、3D 印刷技術を使用した宇宙ミッション用の金属部品の製造を可能にします。

宇宙でツールや交換部品を印刷できる機能は、長期ミッションには不可欠です。 3D プリンティング技術は、宇宙飛行士が地球から送られるのを待たずに、必要な部品をオンデマンドで製造できるようにすることで、解決策を提供します。 3D プリントでは、輸送する必要があるのは原材料のみであるため、ペイロードの重量も軽減でき、重量とスペース要件が大幅に削減され、ペイロードを宇宙に打ち上げるコストの削減につながります。

さらに、3D プリントでは、従来の製造方法では不可能だった、より複雑で複雑なデザインを作成できます。これにより、ロケット エンジン部品や遮熱板など、宇宙旅行用の高度で効率的なコンポーネントの作成が可能になります。さらに、3D プリント技術を使用して、他の惑星に生息地やインフラを作成することもできます。これにより、必要に応じて構造物を建設および修理できる能力を備えた、宇宙における持続可能な人類の存在の構築が促進されます。

航空宇宙産業で 3D プリントに使用される最も一般的な材料は何ですか?

航空宇宙産業で 3D プリントに使用される最も一般的な材料は、チタン、アルミニウム、ステンレス鋼、コバルト クロムなどのさまざまな種類の合金です。これらの材料は、高い強度対重量比、優れた熱的および機械的特性、耐腐食性を備えているため、軽量で耐久性のある航空宇宙部品の製造に最適です。ただし、一部の用途ではポリマーや複合材料などの他の材料も使用されます。以下に、航空宇宙産業の 3D プリントに使用される材料の一部を示します。

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ABS: ダッシュボード インターフェースなどのベゼルに使用されます。

キャスタブルレジンまたはワックス: ドアハンドルやブラケットなどの鋳造金属部品に使用されます。

ガラス入りナイロン: ターマック ノズル ベゼルなどのエンジン コンパートメントに使用されます。

ナイロン 12: エアフロー ダクトなどのエア ダクトの作成に使用されます。

標準樹脂: エントランスドアやシートバックなどのフルサイズパネルに使用されます。これらは、コンソール制御部品などの客室アクセサリの製造にも使用されます。

チタンまたはアルミニウム: GE ジェット エンジンやサスペンション ウィッシュボーンなどの金属コンポーネントとして使用されます。

透明樹脂: ヘッドライトのプロトタイプの製造に使用されます。

航空宇宙産業における 3D プリントに複合材料はどのように使用されていますか?

複合材料は、強度と軽さのユニークな組み合わせにより、航空宇宙用途の 3D プリンティングで使用されることが増えています。通常、ポリマーや金属などのマトリックス材料と、カーボンやガラスなどの強化繊維で構成されます。

複合材料は、機体構造、エンジン部品、内装部品などの部品に一般的に使用されます。 3D プリントには、従来の方法では製造が困難または不可能な複雑な形状や構造を作成できるなど、複合コンポーネントの製造にいくつかの利点があります。

チタンは航空宇宙産業における 3D プリントに適した素材ですか?

はい、チタンは航空宇宙産業で 3D プリントによく使用される素材です。優れた強度重量比と高い耐食性を備えており、航空機部品に使用するのに理想的な材料です。さらに、3D プリントを使用すると、従来の製造方法では不可能な複雑な形状の作成が可能になります。これは、航空宇宙用途のチタン部品の製造において貴重なツールです。ただし、チタンは他の材料に比べて高価であり、加工が難しい場合があります。通常、その固有のプロパティが必要な、高性能または重要なコンポーネント用に予約されています。

概要

この記事では、航空機産業における 3D プリンティングの使用法を紹介し、それが何であるかを説明し、それぞれの用途とその利点について詳しく説明しました。さまざまな業界での 3D プリントの使用について詳しくは、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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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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