航空宇宙積層造形の実用化への道：公的基準の確立が「触媒」

南極のクマの紹介: 周知のとおり、民間航空業界ではリスク管理に対する要件が非常に厳しくなっています。軍事システムや宇宙システムについては同じことは言えません。 1940 年から 1970 年までの技術革命の間、航空宇宙産業はさまざまな新しい材料と製造システムの開発を主導しました。例としては、チタン、耐熱合金、単結晶精密鋳造、等温型鍛造、真空アーク再溶解、さらには炭素繊維複合材の商品化などが挙げられます。これらはそれぞれ、広範な経験的検証を必要とします。こうした材料認定テストは費用がかかり、時間がかかります。新しい航空宇宙用合金の開発には 200 万ドルから 1,000 万ドルの費用がかかり、最大 10 年かかることもあります。その結果、航空宇宙分野の付加製造（AM）の商業化は遅れていると主張する人もいますが、それには十分な理由があります。この記事では、このプロセスを促進する上での公的コンセンサス標準の重要な役割について説明します。
1980 年代以降、商業研究開発 (R&D) における西側諸国政府の役割は徐々に縮小してきました。政府が資金を提供する産業研究所は縮小しており、規制当局は研究開発よりも消費者保護に重点を置いているようだ。大学の参加と公的合意による標準化機構 (SDO) の取り組みにより、研究のギャップと知的財産 (IP) 移転のギャップは部分的に埋められました。規制上のサポートに加えて、米国とヨーロッパのさまざまな SDO が AM の世界的な産業化において重要な役割を果たしてきました。
SDO は製品の品質と安全性の確保に役立ちます。さらに、生産効率の向上、グローバルサプライチェーンの整合性の促進、プロジェクト全体のコスト削減にも役立ちます。これらの合意文書は、最終的には、航空宇宙などのリスク回避型産業における新しい材料システム導入のリスクを軽減するのに役立ちます。付加製造も例外ではありません。
知的財産ナビゲーション 金属積層造形（AM）、特に粉末床溶融結合（PBF）は、本質的に複雑です。重要なアプリケーションでの導入を成功させるには、公的機関と民間の関係者間の協力が必要になります。公開されている設計マニュアルに加えて、コンセンサス標準もこのプロセスに不可欠です。理論的には、標準は、低コストで一貫した品質とプロセス効率を保証するのに十分な柔軟性と強度を備えたフレームワークを提供する必要があります。しかし、高い品質基準を設定するプロセスは簡単ではありません。
△ EOSとi3DMFGはRAPID+ TCT 2024で契約を締結した。
公的コンセンサス標準では、通常設計を管理する OEM (相手先ブランド製造会社) とそのサプライヤーの間で一定量の IP を共有することが義務付けられています。急成長している付加製造の「サービスビューロー」も重要な視点を提供します。これらの中小企業の多くは、印刷パラメータの開発、ビルドレイアウトの最大化、製造のための部品設計 (DfM) の最適化に関する独自の組織的知識を持っています。
コンセンサス標準の開発プロセスでは、さまざまな利害関係者のリソースと優先順位のバランスをとることを目指します。大規模な OEM とその主要なサプライパートナー (Tier 1 および Super Tier 2 サプライヤ) には十分なリソース (資格のある人員、機器、手順) がありますが、小規模な組織 (サービスビューローや Tier 3 機械工場) には、認証に関連する規模と専門知識が不足していることがよくあります。複雑な作業パッケージを管理する場合、これは大きな課題となる可能性があります。これに似た例として、従来の「仕様書通りに建設」と「図面通りに建設」の入札が挙げられます。多くの場合、エンジニアリングの深さが欠けているため、中小企業は後者の、より規定的な契約を好む傾向があります。
公開リファレンス 航空業界には、新しい材料システムの採用を促進するための少なくとも 2 つの公的メカニズム、つまり設計マニュアルとコンセンサス標準があります。どちらも連邦規制を定期的に支持しています。
1930 年代後半、米国軍は金属ハンドブックを出版しました。このハンドブックは後に金属材料特性の開発と標準化(MMPDS、https://www.sae.org/publications/books/content/b-991/) として知られるようになり、またポリマー/複合材料ハンドブック(CMH-17、https://www.sae.org/publications/books/content/r-540.set6/) も出版されました。目標は、これらのガイドラインを航空機材料の許容可能な性能に関する唯一の情報源とすることです。これら 2 冊の本は、軍用および民間の航空機とエンジンに関する欠かせない参考書となっています。これらの書籍は定期的に更新され、腐食や温度の影響などの影響要因とともに、構造物の安全マージンを計算するために使用される材料の「許容値」（つまり特性）を提供します。これは構造設計において重要なプロセスです。

コンセンサスに基づく基準は、これらのマニュアルで提示されるデータを補完します。積層造形の場合、これらの規格は、初期の材料取り扱い、材料およびプロセス制御パラメータから、部品の非破壊評価 (NDE) および部品の認定/認証まで、部品製造プロセスの重要な側面を扱っています。
歴史的に、SDO は、競争前に技術情報を公開するという継続的かつ広範なニーズに応えたエンジニアリング協会でした。付加製造に関与する関連する世界的な SDO がいくつかあります。 SAE International がその一例です。 AM 材料委員会は 2015 年に設立されて以来、世界の航空宇宙産業における AM の採用をサポートするための資格に焦点を当てた 38 の文書を公開しており、さらに 50 の文書が開発中です。
積層造形部品の現在の使用例 現在までに、 GE/CFM LEAP燃料ノズルチップは、航空分野における積層造形の成功例の中で最も顕著な例であると言えます。これは、ほとんどの付加製造規格やガイダンス文書よりも古いものです。したがって、開発および検証プロセスは、ノズルの予定運用開始日 (EIS) の少なくとも 10 年前に開始されます。技術が成熟するにつれて、時間とコストの両方が大幅に削減されます。
△ 3DプリントされたLEAP燃料ノズル。画像提供：GE。
付加製造に関する技術文書が増えるにつれて、他の成功事例もいくつか登場します。例としては、低圧タービンブレード (GE9X)、エンジンケース (GE ターボプロップ機)、アクチュエータ飛行制御 (Liebherr の A380)、および逆推力装置カスケードアレイ (Collins Aerospace) などがあります。
AM を使用して新しい部品を製造するビジネスケースは、新製品の発売に大きく影響されます。この設計の自由度は、テクノロジーの潜在能力を最大限に活用するために不可欠です。ただし、新しい材料システムは、設計凍結時に開発中のコンポーネントが設計寿命全体（および運用中の航空機シェル）にわたって故障しないことを保証するために、広範囲にわたるレビューを受ける必要があります。これにより、プログラムのリスクは必然的に増大します。
△ 3D プリントされたフレキシブルシャフトは、従来製造された 7 つのコンポーネントを 1 つの 3D プリント部品に統合して作られています。画像提供：Liehberr-Aerospace。
メンテナンス、修理、オーバーホール (MRO) 部品は、異なるビジネスケースに従います。これらの部品は主に軍用交換部品で、特に第4世代戦闘機やその他の航空機の維持に苦慮している米国国防総省（DOD）向けである。実際、地上航空機 (AOG) は、軍用機と民間機の両方にとってコストがかかりすぎます。部品の陳腐化は常に脅威です。
しかし、材料システムや製造方法を変更することは、どのようなビジネス状況においても困難でリスクを伴う作業です。
将来の積層造形部品生産が直面する課題 航空宇宙分野では、積層造形技術の開発において、部品コスト、部品品質の一貫性、部品生産速度（つまり製造出力）という3 つの基本的な課題が依然として存在しています。
専用の供給基盤はまだ初期段階にあります。たとえば、米国では、航空宇宙産業に積極的に関与している金属 PBF サービス組織は 30 社未満です。航空宇宙産業では、強力な品質管理システム (QMS) (初回品検査や部品保管プロセスなど) と必要な施設の認定 (Nadcap、AS9100 など) が求められる連続生産の資格を持つ組織はわずか 12 社しかありません。ビジネスの種類に関係なく、AM 導入の中心となるのは慎重なデータ管理です。
積層造形用の技術データパッケージ (TDP) は、認定部品として認定されるためには、明確に定義され、慎重に管理される必要があります。多数の SDO 分類法に加えて、米国国立標準試験研究所 (NIST) は、FAIR (検索可能、アクセス可能、相互運用可能、再利用可能) 共通データ辞書を通じて重要なガイダンスを公開しています。これは公的な会話を導くのに役立ちます。
さらに、米国では、政府が資金を提供する America Makes が AM 研究開発のための官民パートナーシップです。これは、サンディア国立研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、オークリッジ国立研究所などの米国の国立研究所の活動を補完するものです。欧州では、ドイツのフラウンホーファー研究所、フランスのCETIM研究所、英国のMTCなど、いくつかの政府支援研究機関がAMの研究開発を推進しています。 EUの統治の範囲内では、より広範な技術開発を支援するClean Skyなどのプロジェクトがあります。しかし、AM の取り組みは米国の取り組みほど組織化されていませんでした。
障害は多いですが、道のりはまだ長いです。 特に冷戦後の市場経済においては、付加製造の産業化を妨げる要因が依然としていくつかあります。最も明白なのは、 a) データの過剰と学術界におけるデータセットの継続的な分析と最適化の必要性、b) 研究開発への資金提供において資本市場が果たす中心的な役割と健全な投資収益率 (ROI) に対する資本市場の焦燥、c) 米国と欧州における製造の専門知識とインフラストラクチャの衰退です。
SAE は、公的コンセンサス標準に加えて、付加製造サプライヤーの認定にかかる時間とコストの削減に取り組んでいます。 SAE は、ウィチタ州立大学の国立航空研究所 (NIAR) による事前資格審査フレームワークの開発を支援しています。この作業では、SAE AMS7032 (Fusion-Based Metal Additive Manufacturing Machine Qualification) と SAE 関連の NADCAP 認定製造業者リスト (QML) を利用しました。
「Make in America」のような官民パートナーシップ（PPP）は、技術と市場の発展を促進するもうひとつのメカニズムです。しかし、西洋社会は、工業材料や製造の研究開発における、せっかちで投資家主導の投資理論を再検討し始める時期なのかもしれない。産業基盤の発展には時間がかかります。
工業製品の開発は、1940年から1970年のような急速なペースに戻る可能性は低い。それでも、市場の力のバランスが、何らかの形で付加製造を商業化の転換点へと押し進める可能性はある。白紙の設計、新素材の重視、そして莫大な予算を伴う宇宙計画の復活も、一役買ったかもしれない。

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