複合材料 vs アルミニウム：現代旅客機が軽量材料を選ぶ理由

重量削減と効率向上のため、ボeing 787やエアバスA350のような最新世代旅客機はアルミニウムより複合材料を多用しています。しかしアルミニウムは加工しやすく大幅に安価なため、特に重量と疲労耐性がそれほどクリティカルでない用途では、予見可能な将来にわたり重要な航空宇宙材料であり続けます。

特に長くアルミニウムが使用され続ける2分野は、アビオニクスハウジングと内装コンポーネントです。これらは通常鋳造され、取付面と穴の限定的な機械加工が続きます。鋳造プロセスとその利点を詳しく見ていきます。

質量削減のための材料

質量は航空宇宙設計と製造における最優先課題です。構造が軽ければエンジンを小型化でき、効率が向上し、ペイロードが増大します。質量は比強度、すなわち単位重量あたりの強度が高い材料選択により最小化されます。

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は強く軽量で、航空機構造での使用が増加しています。しかし製造と使用が高コストであり、アルミニウムのような他材料の余地を残しています。

チタンも高い比強度を持つ材料です。しかし同様に高価で、鋳造と機械加工が困難です。

マグネシウムとアルミニウムは類似の強度重量比を持ちますが、アルミニウムはより耐食性が高く、マグネシウムの火災リスクを持ちません。7シリーズに分類される幅広い合金で生産されます。7xxxシリーズはしばしば航空宇宙用アルミニウムと呼ばれますが、特定用途ニーズに応じて他合金も使用されます。

アルミニウムの追加的有益特性は陽極酸化処理可能なことです。これは表面酸化レベルを高めて硬度を上げ、魅力的外観を付与する方法で、コーティングを追加しません。

航空宇宙アルミニウムコンポーネントの鋳造方法

質量最小化には薄肉と微細ディテール製造可能な鋳造プロセスが必要。これにより砂型鋳造は除外され、以下が残ります：

• インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造）
• シェルモールド鋳造
• 永久型鋳造（金型鋳造）

各々の関連特性を見ていきます。

インベストメント鋳造

ワックスパターン上にセラミックモールド「シェル」を形成する消耗型鋳造プロセス。インベストメント鋳造は30ポンド（約13.6kg）までの部品に対応し、薄肉とリエントラント形状を持つ複雑形状を、タイトな公差維持と滑らかな表面形成で製造可能。プロセスの複雑さゆえ、機械加工と質量の両方を最小化することが重要な場合に真価を発揮します。

シェルモールド鋳造

このプロセスではパターンを砂樹脂外殻でコーティング。モールドは通常2半分で作られ、結合してモールド空洞を形成。金属凝固後、モールドを分解。シェルモールド鋳造はインベストメント鋳造より大型部品製造可能だが、ディテールと複雑さレベルでは制限がある。表面仕上げはインベストメント鋳造ほど良くない。

永久型鋳造

金属ダイスで部品を形成し、溶融金属が重力で流入。短サイクルタイムが可能で、急速冷却により部品強度が向上するが、金型コストが高い。これらが合わさり永久型鋳造を大量生産プロセスにしています。さらに、インベストメント鋳造が達成できる微細ディテールには対応できません。

航空宇宙向けアルミニウム鋳造

アルミニウムはアビオニクスハウジングとブラケット・シート装備品など内装コンポーネントで、質量、部品複雑さ、コストの最適バランスを提供。7xxxシリーズなどのグレードは高強度に加え、良好な機械加工性と耐食性を提供します。

これらの部品、油圧ポンプボディなどは鋳造で容易に製造可能で、機械加工を最小化しながら減量目標を支援。インベストメント鋳造が最高精度と複雑さを達成しますが、部品形状と必要数量に応じてシェルモールド鋳造と永久型鋳造も代替案となります。

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