3Dプリンティングが航空宇宙・防衛に革命をもたらす理由

まだフライトクリティカルなハードウェアではないかもしれませんが、商用・軍用航空機および宇宙船向け3Dプリント部品は、重量削減と材料コスト削減を容易にしています。つまり、非常に特定のユースケースではROIがあり、その節約分を有効活用することで機能的利益が生まれています。

アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）には明るい未来があります。しかし、航空宇宙・防衛産業において、その未来はどれほど明るいのでしょうか。3Dプリント部品が今日どのようなインパクトを与えているか、そしていくつかの限界について探ります。

3Dシステムズと3DDirectionsのエンジニアリング専門家に話を聞き、航空宇宙・防衛におけるアディティブ・マニュファクチャリングと3Dプリンティングの行方を探りました。まずは、この活気ある分野における業界の進化を見てみましょう。

航空宇宙・防衛における3Dプリンティングと積層造形部品の歴史

航空宇宙・防衛産業、特に米軍は3Dプリント部品の早期採用者でしたが、主に試験とシミュレーション目的でした。プラスチックの耐火性と毒性評価が、飛行用の金属（宇宙空間でも雲の上でも）に達していなかったためです。

これらの試験部品は主にドローンと衛星で使用されたと、3Dシステムズのアプリケーションエンジニア、ブライアン・ニューブライト氏は説明します。2008〜2013年にかけて、ブルーストーンのような積層造形プラスチックが風洞試験やダクト部品に、セラミック樹脂がシミュレーションに使用されました。

これらのユースケースは風の流れを模倣するのに適していました。これらの部品は人を乗せる用途では決して使用されませんでした。この以前、1990年代半ばには、一部の3D部品がクイックキャスティング（迅速鋳造）に使用されていました。

状況が変わり始めたのは2007〜2013年頃です。

「航空宇宙分野で最大の変化は、実は難燃性選択的レーザー焼結（SLS）の開発でした」とニューブライト氏。「商用航空で使用される数少ないものの一つになりました……要するにナイロン12やナイロン11に難燃剤を添加し、難燃試験をパスさせたのです。」

これは重要でした。材料がある程度の熱に耐え、発火せず、有毒ガスを出さずに速やかに自己消火できることを意味したからです。

最初に使用されたのは衛星です。主な理由はROI（投資対効果）です。

「静止軌道に衛星を打ち上げるコストはキログラムあたり4万〜5万ドルです」とニューブライト氏。「衛星の構造ブラケットや内部部材を設計し、数キログラム軽量化できれば、積層造形で作る追加コストは十分にペイできます。」

航空宇宙における3Dプリンティング史の転換点：GEのLEAPエンジン燃料ノズル

商用航空向けに作られた最も著名な積層造形部品の一つが、GEによるLEAPエンジン用3Dプリント燃料ノズルです。これは研究開発の努力が実を結び、革新として大きな注目を集めた輝かしい例です。

「GEがこのプロジェクトで成功したやり方は、ブルートフォース（力ずく）で実現させたことです。つまり、数千個ものノズルを造り、それらを実用的なプリント部品として認定させたのです」と、3DDirectionsの社長兼創業者クリス・バレット氏（アディティブ・マニュファクチャリングコンサルタント、機械工学専門家）は説明します。

バレット氏はユニバーサル・テクノロジー・コーポレーションで研究科学者を務め、オハイオ州ヤングスタウン州立大学の博士課程在籍中です。

「従来の製法は、異なるタイプの箔を何層も重ねて圧着するというものでした。必要な複雑さを実現するにはそれが唯一の方法でした。3D版では同じ積層アプローチですが、それを手作業でやるイメージです。」

GEによると、3Dプリントノズルは「従来モデルの5倍の耐久性」があり、積層造形アプローチにより「エンジニアはよりシンプルな設計を用い、ろう付けと溶接の数を25からわずか5に削減できた」としています。

3Dプリンティングと積層造形の共通テーマ：部品数、工程、重量の削減

バレット氏とニューブライト氏の両名が指摘する通り、今日、航空宇宙・防衛向け3Dプリント部品の多くはフライトクリティカルではありません。GEの燃料ノズルでの挑戦にもかかわらず、大量生産は課題です。

「時間が経てば、積層造形技術とアプローチが追いつくでしょう」とニューブライト氏。「しかしコスト面では、現在のところ大量生産での採用はそれほど見られません。大型商用機は非常に効率的になりました。現在のユースケースの多くは、重量が極めて重要な軍用、ドローン、無人機、衛星に集中しています。」

高度で精密なCNC工作機械を用いた従来の製造手法が、依然として最もコスト効率が良いため、業界を支配し続けるでしょう。

「通常、従来法の10〜100倍のコストがかかります」とバレット氏。「だからこそ、最終的な部品として10〜100倍の改善を示す必要があります。」

それでも、現在使用されている用途や評価中の用途があります。ボーイング、エアバス、ハネウェル、GE、ロッキード・マーチンなどの大手商用・防衛OEMは、積層造形研究に多額の投資を行っています。

バレット氏は、GEの別のR&Dプロジェクトを指摘します。飛行機エンジンの大部分をプリントしようとしたもので、先進ターボプロップ（ATP）エンジンでチタン超合金を用いて成功しました。

「GEは855個の部品で構成されていたエンジンを、約12個まで減らしました」とバレット氏。「エンジン重量を100ポンド（約45kg）削減し、燃費効率を20％向上させました。」

GEのATPエンジンの3Dプリントコンポーネントすべてを見る。出典：GE

重量削減により、前モデル比で出力も10％向上しました。このエンジンは、テキストロン・アビエーションのセスナ・デナリ機への搭載が予定されています。

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航空宇宙・防衛における3Dプリンティング：MROとスペアパーツ

3Dプリンティングのより興味深いユースケースの一つが、C-130やB-52のようなレガシー航空機のスペアパーツ製造です。これらの航空機は古いですが、貨物と兵員輸送で現役であり、その部品はますます入手困難になっています、とバレット氏は説明します。

問題は何か？ 部品不足で航空機が長期間（時には数年）地上に留め置かれることです。これらの航空機の中には50年前のものもあり、メーカーが部品を作っていない、あるいは倒産しているケースがあります。部品製造を引き受ける企業でも、完成まで数年かかることがあります。

「調査を始めたとき、これらの部品の一部が、数十年にわたり機体内で酷使され続けたため、機体の伸び縮みに合わせて伸びたり歪んだりしていることがわかりました」とバレット氏。「だから各部品は微妙に異なります。本来90度の曲がりが、今は85度になっているかもしれません。ひとつの鋳型でこれらすべての違いをカバーすることはできません。だからこそ3Dプリンティングに最適なケースなのです。」

3Dシステムズなどの企業は、3Dスキャナーを機体に持ち込み、デジタルファイルを作成し、その部品の現在の形状と幾何学に合わせて個別にプリントすることで、各機体専用のカスタム部品を製造できます。

レガシー軍用機向けMROとスペアパーツの3Dプリントを見る。出典：3Dシステムズ

このレガシースペアプロジェクトは、MAMLS（低コスト維持のための先進製造の成熟）と呼ばれるイニシアチブを通じて、多数の公私の組織が関与しており、空軍研究所が資金提供しています。

C-130機で実績を上げたメーカーの一つが、2018年国際製造技術ショーでBetter MROに取り上げられたメトロ・エアロスペースです。メトロ・エアロスペースは軍にマイクロベーン部品を納入しています。マイクロベーンは、ガラスとナイロンビーズを含む軽量・非腐食・耐久性のあるポリマー複合材で作られています。

メトロ・エアロスペースの課題と量産成功については、「How to Take a 3D-Printed Part to Market in Aerospace.」をお読みください。

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