航空機の修理とメンテナンスにおける積層造形技術の応用

出典: セスシンクタンク

さまざまな付加製造プロセスと材料が利用できるようになったことで、航空業界では多くの特殊な修理およびメンテナンス作業に付加製造技術を適用しています。

1. プロトタイプの設計<br /> 付加製造技術は当初、適合検査用の試作品を迅速に製造するために使用されていましたが、航空機のメンテナンスと修理において重要な実用的価値を持っています。たとえば、米国海軍の南西艦隊即応センターは、パイプ補強のプロトタイプを作成しました。適合を確認した後、部品はアルミニウムから機械加工されます。 CNC 加工は時間がかかり、労働集約的であり (特にプログラミング)、生産能力が限られる可能性がありますが、AM プロトタイピングでは、不正確な形状や寸法公差によって生じる無駄を防ぐことができます。
2. 工具、固定具、治具<br /> 付加製造により、ツール、固定具、治具を作成することで、航空機の修理とメンテナンスのコストと時間を削減できます。付加製造された最終用途部品に関連する資格問題がなければ、これらの利点はほぼ即座に実現できます。各航空機ごとに、数百の治具、テンプレート、治具を積層製造技術を使用して印刷できるため、コストとリードタイムが 60% ～ 97% 削減されます。ある複合部品の工業サプライヤーは、CNC 加工ではなく材料の押し出し加工によって工具を製造することで、コストを 79%、リードタイムを 96% 削減できると判断しました。

付加製造では大型のツールも作成できます。 2016 年、オークリッジ国立研究所は、大面積積層造形技術を使用して、777X 複合材主翼外皮のトリミングとドリルガイドを製造しました。この構造物は当時最大の3Dプリント物体であり、オークリッジ国立研究所の炭素強化ポリマー加工技術を活用したものでした。

軍事防衛・保守機関もツールの製造に積層造形法を利用しています。 2006 年以来、フリートレディネスセンターは、積層造形法を使用してカスタムツールを作成し、板金スタンピングやストレッチフォーミング、押し出し印刷ダイの技術を実証することで艦隊をサポートしてきました。海上でのハードランディング中に損傷した AV-8B 戦闘機の修理には、付加製造ツールが使用され、ポリカーボネート押し出しツールを使用して、修理に必要な板金乗算器が準備されました。

航空宇宙産業の金属鋳造も積層造形ツールの恩恵を受けることができます。このタイプの部品の典型的なリードタイムは 10 ～ 12 か月です。 Autodesk と Aristo Castings のチームは、超軽量航空機の座席フレームを鋳造するための鋳造パターンに使用する変調マトリックス構造を設計しました。コンピューターで最適化された格子構造により、性能要件を満たしながらシートの重量が 35% 削減されます。シートフレームはマグネシウム合金で鋳造されており、従来のアルミニウム減算製造法に比べて総重量が 56% 削減されています。

バインダージェッティングは砂型鋳造ツールの作成に使用できます。従来の製造方法と比較して、付加製造技術を使用して金型コアを製造すると、廃棄物を 90% 削減できます。付加製造砂型鋳造のその他の利点としては、リードタイムの短縮、コストの削減、パフォーマンスの向上、カスタマイズ性などが挙げられます。付加製造技術は鋳造金型に使用され、ハードパターンの必要性を排除し、リードタイムを短縮し、コストを節約できます。付加製造法を使用して砂型から作られた複雑な形状により、重量を軽減したり、熱設計を改善したりできます。さらに、AM ツールによって鋳造部品を統合できれば、溶接や留め具が不要になり、新しい鋳造品の耐久性が向上する可能性があります。

3. 修理 付加製造技術は、タービンエンジン部品、ブレード、コンプレッサー、ケーシングなど、航空機エンジンの金属部品の修理に使用できます。部品が摩耗したり損傷したりすると、通常は廃棄され、新しい部品を製造する必要がありますが、積層造形技術を使用すると、部品の耐用年数を延ばすことができます。損傷した部分の材料を除去し、損傷していない部分を使用してコンポーネントを再構築することで、コンポーネントを修復します。最も一般的な AM 修復プロセスは、指向性エネルギー堆積です。 AM 修復の価値は、欠陥の検出、現場での部品の修復能力、代替修復技術の速度とコスト、同じ機械的特性を持つ元の形状に部品を復元する要件などの要因によって左右されます。
Guangji 社のレーザーエンジニアリングネットシェーピング技術により、ガスタービンエンジン部品の修理に成功しました。レーザーエンジニアリングネットシェーピング技術を使用したベアリングシートの修理コストは、新しいベアリングシートを購入するコストのわずか 50% で、リードタイムは数週間から数日に短縮されます。もう 1 つの例は、指向性エネルギー堆積装置を製造するヨーロッパのメーカーである BeAM です。同社は800個以上の航空部品を修理し、部品の寿命を1万時間から6万時間に延ばした。
4. 端末で利用可能なコンポーネント<br /> 航空宇宙および防衛におけるもう 1 つの用途は、最終使用部品の直接製造です。メンテナンスおよびサービス部品用の金属付加製造の最も典型的な例の 1 つは、米国海軍航空システム司令部が実演した V-22 オスプレイティルトローター航空機のエンジンコンパートメントのチタン合金接続および組み立て部品です。部品は、航空機に搭載する前に、材料と性能に関する広範囲にわたるテストを受けて認定を受ける必要があります。

米海兵隊は、USSワスプに搭載されたプラスチック材料押し出しデスクトップ3Dプリンターを使用して、F-35B着陸装置ドアの交換用プラスチックバンパーを作成しました。この交換により、コストが 70,000 ドル節約され、リードタイムも数日短縮されました。交換用のバンパーを 3D プリントする方法がなければ、唯一の選択肢は USS Wasp のドア一式を注文して発送することになるでしょう。

付加製造により、強度、剛性、インターフェース、製造可能性の要件を満たすために必要な場所にのみ材料を追加することで、複雑な設計も可能になります。設計の自由度により軽量化が可能になります。設計チームは、民間航空機のシートバックルに積層造形技術を使用する利点を分析し、積層造形技術を使用して再設計および製造し、重量を 155g から 68g に削減しました。エアバスA380には853席ある。代替設計により、機体総重量は74kg軽減され、機体の耐用年数を通じて330万リットルの燃料が節約される。

GE Aviation は、積層造形法を使用して製造された次世代 LEAP エンジン燃料ノズルにおいて、軽量化と部品統合の複合的な利点を実証しました。 20 個の部品から構成されるノズルが 1 つの部品に再設計され、重量が 25% 削減されました。新しく設計されたノズルは軽量であるだけでなく、耐久性も向上し、元の設計よりも 5 倍強力です。 GEは2020年までに積層造形技術を使って最大10万個の部品を製造する計画だ。

付加製造技術は宇宙製造にも革命をもたらしています。 NASA は、長期飛行ミッションと有人探査を確実に実行するために、遠隔製造に付加製造技術を使用する計画を立てています。 2014年11月には、Made in Space社の材料押し出しプリンターが国際宇宙ステーションに設置され、2016年3月にはさらに強力な積層造形工場が設置されました。宇宙における積層造形のもう一つの応用分野は、軌道上で衛星を印刷して展開する可能性であり、これは経年劣化、自然災害、戦闘により劣化した衛星を再構築する手段となる可能性があります。

5. 資格認定 航空業界では、資格と品質管理を利用して公共の安全を確保しています。航空機部品の認定プロセスには1億3000万ドル以上の費用がかかり、最大15年かかる場合があります。付加製造技術を使用した直接部品生産では、特に重要な部品の場合、認定に課題が生じます。付加製造プロセスは比較的新しいため、標準はほとんどなく、飛行経験も最小限です。多くの企業、組織、政府が標準の開発を奨励しています。研究では、特定の積層造形プロセスでは、安定した再現性のある部品を製造するために 100 を超える変数を制御する必要があることが推定されています。標準が欠如しているため、AM 技術の実装にはいくつかの障壁が生じます。材料データは企業間で比較できません。AM マシンのオペレーターによって使用するプロセスパラメータが異なります。結果の再現性が不十分な場合があります。製品が仕様どおりに製造されることを保証する仕様がほとんどありません。

FAA は、業界、学界、政府機関と連携して、既存の FAA 規制を積層製造製品に適用し、構造安全性の認証に関するガイダンスを策定するために、積層製造に関する国家パネルを設立しました。 FAA によって認定された最初の金属 AM 部品の 1 つは、GE Aviation の T25 センサーハウジングです。 GE は 4 か月で部品の設計、エンジニアリング、製造、認証を行い、400 台の現場エンジンに後付けしました。

粉末床溶融結合などの金属付加製造プロセスでは、適格性に影響を与える特有の材料の問題が生じます。部品内の機械的特性は均一ではありません。固有の材料異常は破壊靭性および疲労（すなわち、周期的荷重）強度に影響を及ぼし、融合の欠如、分散した多孔性、介在物、残留応力などが含まれます。積層造形技術の場合、プロセス認定における重要なステップは、部品製造中に AM プロセスを監視し、コンポーネントに悪影響を与えるプロセスエラーを特定することです。研究者たちは、金属積層造形の進行中に欠陥を検出する方法を研究しています。

AM テクノロジーの導入を加速し、資格の問題を解決するには、コラボレーションが必要です。 American Manufacturing は、連邦政府によって設立された官民パートナーシップであり、政府、産業界、学界の連携を通じて積層造形技術の課題を解決することに専念しています。 2016年、米国製造業協会と米国規格協会は、米国材料試験協会、米国溶接協会、電気電子技術者協会、国際標準化機構などのさまざまな標準開発組織を結集した積層造形標準化コラボレーションを設立し、2017年2月に標準ロードマップの最初のバージョンを完成させました。ロードマップには、AM テクノロジの既存の標準と仕様がリストされ、開発中の AM テクノロジに関連する標準が特定され、不足している新しい標準の概要が示されています。

VI. 結論<br /> 付加製造とは、プロトタイプ、ツール、固定具、治具、部品修理、スペアパーツの製造を通じてメンテナンス時間とコストを削減できる一連の製造プロセスです。リードタイムの短縮、コストの削減、正味重量に対するアルミニウム投入量の比率の向上という目標は達成されました。設計変更が許可されれば、複雑な構造における軽量コンポーネントによってエネルギーが節約され、環境に良い影響を与えることができます。

積層造形技術がより広く利用されるようになるには、プロセス制御、幾何公差、品質保証、再現性など、克服すべきさまざまな課題がまだ残っています。重要な航空機部品を扱う場合、認証機関はプロセス制御、既知の材料特性、およびそれらの特性が繰り返し達成できるという確信を必要とします。付加製造のための設計ももう一つのハードルです。従来の製造方法の設計を学んだエンジニアは、AM テクノロジーによってもたらされる設計の自由に適応する必要があります。調査により、コスト、訓練された人材の不足、最終製品の品質とプリンターの速度に関する不確実性など、付加製造技術の導入に対する障壁が明らかになりました。全体的に、付加製造技術の利点は課題を上回っており、将来的には航空機の生産、保守、ケアにおいてより大きな役割を果たすことは間違いありません。

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