複合材 vs アルミニウム:現代の旅客機が軽量素材を選択する理由

重量を軽減し効率を向上させるために、ボーイング 787 やエアバス A350 などの最新世代の旅客機では、アルミニウムよりも多くの複合材料が使用されています。ただし、アルミニウムは加工が容易で、大幅に安価であるため、特に軽量化と耐疲労性が重要な用途では、当面は重要な航空宇宙材料であり続けるでしょう。

特に長期にわたりアルミニウムが使用される 2 つの分野は、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、その後、取り付け面と穴が限定的に機械加工されます。ここでは、鋳造プロセスとその利点について詳しく見ていきます。

質量削減のための材料

質量は、航空宇宙の設計と製造における最大の問題です。構造が軽いほど、エンジンが小さくなり、効率が高くなり、積載量が大きくなります。質量は、比強度またはポンド当たりの強度と呼ばれる、強度重量比の高い材料を選択することによって最小限に抑えられます。

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は強度と軽さを兼ね備えており、航空機構造への使用が増加しています。ただし、製造と使用にはコストがかかるため、アルミニウムなどの他の素材の可能性も残されています。

チタンも比強度の高い素材です。ただし、繰り返しになりますが、高価であり、鋳造や機械加工が困難です。

マグネシウムとアルミニウムは同様の強度対重量比を持っていますが、アルミニウムは耐食性が高く、マグネシウムのような火災の危険性がありません。幅広い合金で製造されており、7 つのシリーズに分類されています。 7xxx シリーズは航空宇宙用アルミニウムと呼ばれることが多いですが、特定の用途のニーズに応じて他の合金も使用されます。

アルミニウムのさらなる利点は、陽極酸化ができることです。これは、コーティングを追加せずに、表面の酸化レベルを高めて硬度を高め、魅力的な外観を与える方法です。

アルミニウム航空宇宙部品の鋳造方法

質量を最小限に抑えるには、薄い部分と細かい部分を製造できる鋳造プロセスが必要です。これにより、砂型鋳造は考慮から除外され、次のようになります。

• 投資キャスティング
• シェルモールディング
• 永久鋳型鋳造

ここでは、それぞれの関連する特徴を見ていきます。

投資鋳造

ワックスパターン上にセラミックモールドの「シェル」を形成する消耗モールドプロセス。インベストメント鋳造は、最大 30 ポンドの重量の部品に使用され、厳しい公差を維持し、滑らかな表面を形成しながら、薄壁と凹角特徴を備えた複雑な形状を製造できます。プロセスの複雑さは、機械加工と質量の両方を最小限に抑えることが重要な場合に真価を発揮することを意味します。

シェルモールディング

このプロセスでは、パターンをサンドレジンの外殻でコーティングします。通常、金型は 2 つの半体で作られ、これらを結合して金型キャビティを形成します。金属が固まったら、型を分解します。シェル成形ではインベストメント鋳造よりも大きな部品を製造できますが、詳細度と複雑さのレベルには限界があります。表面仕上げはインベストメント鋳造ほど良くありません。

永久鋳型鋳造

これは金属金型を使用して部品を形成し、液体金属が重力で流れ込みます。短いサイクル時間が可能で、急速冷却により部品の強度が向上しますが、工具は高価です。これらを組み合わせることで、永久金型鋳造が大量生産プロセスになります。さらに、インベストメント鋳造で実現できる微細なディテールを実現することはできません。

航空宇宙用アルミニウム鋳造

アルミニウムは、航空電子工学のハウジングやブラケットや座席の装備品などの内装部品の質量、部品の複雑さ、コストの最適なバランスを提供します。 7xxx シリーズなどのグレードは、優れた機械加工性と耐食性とともに、高い強度を備えています。

これらの部品や油圧ポンプ本体などの他の部品は鋳造によって容易に製造できるため、機械加工を最小限に抑えながら軽量化の目標を達成できます。インベストメント鋳造は最高の精度と複雑さを実現しますが、部品の形状と必要な数量に応じて、シェル成形や永久鋳型鋳造も代替手段となります。

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