3D プリントが航空機産業を変革する 8 つの方法

航空機産業は常に進化しており、安全性、効率、性能を向上させる新技術が導入されています。航空機製造とメンテナンスに革命をもたらした技術の一つが 3D プリントです。3D プリントは積層造形とも呼ばれ、従来の製造方法では生産できない複雑な形状を持つ複雑なパーツの作成を可能にします。

航空宇宙産業は 3D プリントの早期導入者であり、その発展に大きく貢献し続けています。1989 年以来、この業界の企業は 3D プリント技術を活用してきました。3D プリントは、試作と航空機コンポーネントの生産からメンテナンスと修理、工具、インテリア設計まで、この業界で幅広い用途があります。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、この技術がいかに安全性向上、コスト削減、生産効率改善に役立っているかを紹介します。

3D プリントは治具、固定具、その他の工具機器の製造に使用でき、生産効率を向上させコストを削減できます。航空機企業は各機体に多数の固定具、テンプレート、ガイド、ゲージを必要としますが、3D プリントによりこれらをコスト効率良く効率的に製造できます。通常、このプロセスは他の製造方法と比較して 60〜90% のコストとリードタイム削減をもたらします。

2. イノベーション

3D プリントは従来の方法では製造できない複雑なパーツの生産を可能にします。これには、ブラケット、ハウジング、タービンブレードなど、複雑な形状を持つ軽量パーツが含まれます。3D プリントは航空機パーツのカスタマイズも可能にします。エンジニアは特定の航空機のニーズに特化したパーツを設計・プリントできます。このカスタマイズにより、各航空機が意図した用途に最適化され、性能と安全性が向上します。

3. 試作

3D プリントの最も重要な利点の一つは、機能的なプロトタイプを迅速に生産できることです。3D プリントでは、従来なら数日や数週間かかっていたパーツやコンポーネントのプロトタイプを数時間で作成可能です。これにより設計者は設計を迅速に反復し、新しいアイデアをテストし、形状と適合を検証できます。これは CNC 加工や射出成形などの従来の試作方法に伴う時間とコストを削減できます。

4. 代用パーツ（サロゲート）

サロゲートは、最終アセンブリに最終的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パーツです。これらの代用パーツは主に訓練補助として機能します。NASA や多くの空軍基地で、航空機コンポーネントを生産ラインで製造する際によく使用されます。

5. 交換部品

交換部品は、航空機の損傷または摩耗したコンポーネントを置き換えるために製造・取り付けられるパーツです。交換部品に 3D プリントを使用する利点は、より速い生産時間、低コスト、従来の方法では製造が困難または不可能なパーツの生産能力です。

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。これは特に航空宇宙産業で有用です。すべての航空機はユニークであり、特定の顧客要件を満たすために修正がしばしば必要です。3D プリントにより、設計者は個々の航空機と顧客ニーズに合わせたオーダーメイドパーツを容易に作成できます。

航空機の性能向上が、複雑で唯一無二のコンポーネントのコストを正当化する場合、航空宇宙産業は 3D プリント技術から大きな影響を受けます。例えば、特定の設計・製造された単一の 3D プリントコンポーネントが抗力を 2.1% 削減し、燃料費を 5.41% 削減できます。この技術は、貨物機、旅客機、ヘリコプターなど特定の航空機または航空機タイプに適したカスタマイズされた軽量ブラケットを可能にします。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パーツ統合とトポロジー最適化を提供します。

7. 軽量化

航空宇宙産業は常に燃料効率と性能向上のために航空機コンポーネントの重量削減を求めています。航空機の重量削減は飛行の環境影響を最小化する上で重要な要素です。3D プリントパーツは抗力を減らすことで重量削減に貢献し、その結果燃料消費を低減します。

一定速度では、翼が十分な揚力を生成する必要があるため、航空機の重量は抗力を増加させます。しかし、重量が最も大きく影響するのは巡航高度です。重い航空機は揚力に必要な空気密度のため、より低い巡航高度になります。より高い空気密度はより多くの抗力を生み、結果として燃料消費が増加します。カーボンファイバー材料と形状記憶合金の使用により、航空機の重量を減らしながら構築効率を高められます。

8. 取り付けブラケット

3D プリント技術は、航空機内壁に複雑な救命システムを取り付ける構造的に健全な少量生産金属ブラケットの製造に広く使用されています。製造プロセスは通常、直接金属レーザー焼結（DMLS）または選択的レーザー溶解（SLM）技術を用いて、航空宇宙産業で要求される安全基準を満たす高品質ブラケットを作成します。

なぜ 3D プリントが航空宇宙産業で重要なのか？

航空宇宙産業における 3D プリントの重要性は、主に航空機設計とコンポーネント生産の改善に帰着します。3D プリントは従来の製造方法では作れない複雑で軽量かつ耐久性のあるパーツを生産できます。ブラケット、ハウジング、タービンブレードなど、航空宇宙産業に不可欠な複雑な形状を持つコンポーネントの生産を可能にしました。

さらに、オンデマンドで低コストでパーツを生産できる能力により、航空機メーカーは在庫とリードタイムを削減し、特定用途向けのカスタマイズパーツの設計と生産も可能にしました。また、工具、治具、固定具への 3D プリント使用により、大幅なコスト削減と生産効率改善をもたらしました。

3D プリントが航空宇宙産業に与えた影響

3D プリントは様々な分野で航空宇宙産業に革命をもたらしています：

1. 固定具、治具、ゲージ、テンプレートの生産によるコスト削減。
2. 訓練目的のプレースホルダーパーツの作成。
3. 航空機内で構造機能を果たす金属ブラケットの製造。
4. 完成パーツの形状と適合を改善するための 3D プリントプロトタイプの活用。
5. ドアハンドルやコックピットダッシュボードなどの航空機内装コンポーネントの生産。
6. 3D プリント技術の進歩による、より軽量で効率的なエンジンとタービンコンポーネントの製造。
7. 従来の方法では困難または不可能な複雑で軽量なパーツの生産を可能にし、より強靭で効率的、安全な航空機を実現。
8. 高価な工具と金型の必要性を排除し、パーツとコンポーネントの生産に関連する時間とコストを削減、在庫削減とサプライチェーン効率改善につながる。
9. 宇宙空間での積層造形使用など、航空宇宙製造のイノベーションにより、オンデマンドでのパーツ生産を可能にし、高価で時間のかかる補給ミッションの必要性を削減。

航空宇宙で 3D モデリングがどう使用されるか

3D モデリングは航空宇宙産業で幅広い用途があります。3D モデリングはオブジェクトや構造の三次元表現を作成するプロセスです。3D モデリングの使用例の一つは航空機格納庫の建設です。エンジニアは格納庫の 3D モデルを作成し、格納庫の組み立て方と周囲環境との相互作用を理解するのに役立てます。

もう一つの用途は航空機胴体の設計です。エンジニアは 3D モデルを使用して、異なる設計が機体の他部分と周囲の空気とどう相互作用するかをテストします。また、他の材料が胴体の強度と耐久性にどう影響するかをテストするプロトタイプ作成にも 3D モデルを使用できます。3D モデルは、材料、労働、プロジェクトに関連するその他の費用についての情報を含め、航空機や航空宇宙プロジェクトの価格とコスト見積もりにも役立ちます。

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 スキャンはプロジェクトの様々なパーツと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パーツとコンポーネントに分解し、粒度の細かい分析を行うのを助けます。これにより、特定機能の動作をより良く理解したり、潜在的な設計問題を特定したりできます。

3D プリントを使用している航空宇宙企業

多くの航空宇宙企業が様々な形で 3D プリントを使用しています。3D プリントを使用している航空宇宙産業の主要プレーヤーには以下が含まれます：

1. Airbus
2. Boeing
3. Lockheed Martin
4. GE Aviation
5. Rolls-Royce
6. SpaceX
7. 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用パーツを作成してきました。また、生産プロセスでの 3D プリント活用も探求し始めています。

Boeing が 3D プリントをどう使用しているか

Boeing はしばらく前から 3D プリント実験に取り組んできました。数年前、同社は衛星生産で 3D プリントを使用し始めました。2019 年、添加製造により初の金属衛星アンテナを作成。このアンテナはイスラエル企業 Spacecom 向けで、同年 8 月に AMOS 17 衛星と共に打ち上げられました。大規模アセンブリの複数パーツを単一の 3D プリントパーツに置き換えることで、Boeing はアンテナの重量と製造時間を削減できました。

Boeing はまた、トップエンドジェットの生産にも積層造形を活用しています。新型 Boeing 777x には世界最大のジェットエンジンである GE9X エンジンが 2 基搭載されています。300 以上のプリントパーツを組み込むことで、エンジン重量が削減され、Boeing 777x を燃料消費 12% 削減、運用コスト 10% 削減の世界最高効率ツインエンジンジェットにするのに貢献しました。

3D プリントが宇宙旅行にどう恩恵をもたらすか

宇宙用途の製造には高度な精度が要求されます。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、厳しい公差のパーツ生産に優れています。層厚が 20 または 40 ミクロンの場合、高いレベルの寸法精度が達成可能です。しかし、SLM（選択的レーザー溶解）などの一部の金属 3D プリント技術は、大型で多大な電力を必要とし、可燃性粉末と吸入ハザードと関連するため、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使用可能な金属プリント技術を開発しており、3D プリント技術を用いて宇宙ミッション用の金属パーツ生産を可能にしようとしています。

宇宙で工具と交換部品をプリントできる能力は長期ミッションに不可欠です。3D プリント技術は、宇宙飛行士が地球から送られるのを待たずに必要なパーツをオンデマンドで生産できるソリューションを提供します。また、原材料のみを輸送すればよいため、ペイロード重量を削減し、大幅な重量とスペース要件の削減、宇宙へのペイロード打ち上げコスト削減につながります。

さらに、3D プリントは従来の製造方法では不可能なより複雑で精巧な設計を作成できます。これにより、ロケットエンジンパーツやヒートシールドなど、宇宙旅行のため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。また、3D プリント技術は他惑星での居住施設とインフラの建設にも使用できます。これにより、必要に応じて構造物を建設・修理できる能力を持つ、宇宙での持続可能な人類の存在を促進します。

航空宇宙産業で 3D プリントに最もよく使用される材料は？

航空宇宙産業で 3D プリントに最もよく使用される材料は、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様々な金属合金です。これらの材料は高い強度重量比、優れた熱的・機械的特性、耐食性を持ち、軽量で耐久性のある航空宇宙コンポーネントの生産に最適です。しかし、ポリマーや複合材料も一部の用途で使用されます。以下に航空宇宙産業の 3D プリントで使用される材料の一部を示します：

1. 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。
2. 鋳造用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パーツに使用。
3. ガラス充填ナイロン： ターマックノズルベゼルなどのエンジン区画に使用。
4. Nylon 12： エアフローダクトなどのエアダクト作成に使用。
5. 標準レジン： エントリードアやシートバックなどの実寸大パネルに使用。キャビンアクセサリーやコンソール制御パーツの生産にも使用。
6. 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に使用。
7. 透明レジン： ヘッドライトプロトタイプの製造に使用。

複合材料が航空宇宙産業の 3D プリントでどう使用されるか

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 プリントでますます使用されています。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補強繊維で構成されます。

複合材料は、機体構造、エンジンコンポーネント、内装コンポーネントなどのコンポーネントによく使用されます。3D プリントは複合コンポーネントの生産にいくつかの利点を提供します。従来の方法では困難または不可能な複雑な形状と構造の作成能力が含まれます。

チタンは航空宇宙産業の 3D プリントに適した材料か？

はい、チタンは航空宇宙産業の 3D プリントで一般的に使用される材料です。優れた強度重量比と高い耐食性を持ち、航空機コンポーネントでの使用に理想的です。さらに、3D プリントにより従来の製造方法では不可能な複雑な形状の作成が可能です。航空宇宙用途のチタンパーツ生産における貴重なツールです。しかし、チタンは他の材料と比較してより高価で扱いが難しい場合があります。通常、その独自の特性が必要な高性能または重要なコンポーネントに限定されます。

まとめ

この記事では航空機産業における 3D プリントの使用を紹介し、それらが何であるかを説明し、各用途を詳細に議論し、その利点を述べました。様々な業界での 3D プリント用途についてさらに知りたい場合は、Xometry 担当者までお問い合わせください。

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Dean McClements

Dean McClements は機械工学の優等学士号を持ち、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 などの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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