航空宇宙産業における3Dプリントの利点

第三次産業革命の製造分野における代表的な技術として、3Dプリンティングの開発は常にあらゆる分野から幅広い注目を集めています。金属 3D プリント技術は、業界の専門家から 3D プリント分野における高難易度、高水準の開発分野とみなされており、工業製造において重要な役割を果たしています。現在、世界中の工業製造企業が金属付加製造技術の開発に熱心に取り組んでおり、特に航空宇宙製造企業は、技術リーダーシップを確保するために研究開発の取り組みを強化するために多額の資金と物質的資源を費やす用意があります。

米国の製造業回帰戦略とドイツのインダストリー4.0を背景に、国際環境も3Dプリンティングの成長に欠かせない栄養を与えています。米国に新設された国立積層造形センターと英国の技術戦略委員会は、航空宇宙を積層造形技術の主な応用分野として特定しています。 2012年10月、中国科学院元院長、全国人民代表大会副議長の陸永祥氏は、中国の3D技術もまず航空宇宙分野に応用されると明言した。

産業界の王冠に輝く宝石である航空宇宙製造部門は、国のあらゆる先進的かつ洗練された技術を統合しており、国家戦略計画の実施と政治情勢の表現を支え、保証する分野です。新しい製造技術として、金属 3D 技術は航空宇宙分野において優れた応用上の利点と明らかなサービス上の利点を備えています。それは主に以下の側面に反映されます。

1新しい航空宇宙機器の研究開発サイクルを短縮する<br /> 航空宇宙技術は国防力の象徴であり、国政の表れでもあり、世界各国間の競争は熾烈を極めています。そのため、すべての国は国防の分野で無敵になるために、より速いペースで新しい武器や装備を開発しようとしています。

金属3Dプリント技術により、高性能金属部品、特に高性能大型構造部品の製造プロセスが大幅に短縮されました。部品製造工程で使用する金型の開発が不要となり、製品の研究開発・製造サイクルが大幅に短縮されます。

国防大学軍事後務・軍事科学技術装備学部の李大光教授は、1980年代から1990年代にかけて、新世代の戦闘機の開発には少なくとも10年から20年はかかるだろうと述べた。3Dプリント技術の最も顕著な利点は、機械加工や金型を使わずに、コンピューターグラフィックスデータから直接、あらゆる形状の部品を生成できることである。

したがって、3Dプリント技術やその他の情報技術を活用すれば、新しい戦闘機の開発には少なくとも3年しかかかりません。この技術の高い柔軟性、高性能で柔軟な製造特性、複雑な部品の自由なラピッドプロトタイピングと相まって、金属 3D プリントは航空宇宙分野で輝き、国防装備の製造に強力な技術サポートを提供します。

国産大型航空機C919の中央翼帯部品は、航空分野における金属3Dプリント技術の典型的な応用例です。この構造部品は長さが3メートルを超えており、金属3Dプリントで印刷された航空機構造部品としては世界最長となります。

そのため、航空機開発の進捗と安全を確保するためには、この部品を海外から発注する必要があり、発注から取り付け、使用までのサイクルは2年以上かかり、航空機開発の進捗を著しく妨げています。金属 3D プリント技術を使用して印刷された中央翼ストリップは、わずか 1 か月ほどで開発されました。その構造強度は鍛造基準に達し、さらにはそれを上回り、航空基準を完全に満たしています。

これは、航空宇宙分野における金属 3D プリント技術の応用のほんの一例にすぎません。

2. 材料の利用率を向上させ、高価な戦略資材を節約し、製造コストを削減する

航空宇宙製造分野では、チタン合金、ニッケル基高温合金、その他の加工が難しい金属材料など、高価な戦略材料が主に使用されています。従来の製造方法では、材料利用率が非常に低く、通常は 10% 以下、場合によっては 2% ～ 5% しかありません。

材料の無駄が膨大になるということは、加工工程が複雑になり、生産サイクルが長くなることを意味します。部品の加工が難しい場合は、加工サイクルが大幅に増加し、製造サイクルが大幅に延長されるため、製造コストが増加します。

ニアネットシェイプ技術である金属3Dプリント技術は、後続処理をほとんど必要とせずに実用化でき、材料利用率は60％に達し、場合によっては90％を超えることもあります。これにより、製造コストが削減され、原材料が節約されるだけでなく、国の持続可能な開発戦略にも準拠します。

2014年に中国科学院で開かれたシンポジウムで、北京航空航天大学の王華明教授は、中国はC919航空機のコックピットのガラス窓枠をわずか55日で印刷できるようになったと語った。王華明氏はまた、欧州の航空機製造会社が、同じものを製造するには少なくとも2年かかり、金型を作るだけで200万ドルかかると語ったとも述べた。中国が3Dプリント技術を採用したことで、生産サイクルが短縮され、効率が向上しただけでなく、原材料が節約され、生産コストが大幅に削減された。

3.部品構造を最適化し、重量を軽減し、応力集中を減らし、耐用年数を延ばす

航空宇宙兵器や装備にとって、軽量化は永遠のテーマです。飛行中の飛行装置の柔軟性が向上するだけでなく、積載量も増加し、燃料を節約し、飛行コストを削減します。しかし、従来の製造方法では、すでに部品の軽量化は極限まで進んでおり、その可能性をさらに広げることは現実的ではありません。

しかし、3D技術を応用することで、複雑な部品やコンポーネントの構造を最適化でき、性能を確保するという前提のもと、複雑な構造を単純な構造に改造・再設計し、重量を軽減することができます。さらに、部品の構造を最適化することで、部品の応力を最も合理的に分散することができ、疲労亀裂のリスクが低減され、耐用年数が長くなります。

合理的で複雑な内部流路構造により温度を制御し、設計と材料の使用を最適化したり、材料の組み合わせにより部品のさまざまな部分を自由に成形して使用基準を満たすことができます。

戦闘機の着陸装置は、高荷重と高衝撃に耐える重要な部品であり、部品には高い強度と高い耐衝撃性が求められます。米国のF16戦闘機に搭載されている3D技術で製造された着陸装置は、使用基準を満たしているだけでなく、平均寿命も元の2.5倍長くなっています。

4. 部品の修理と成形

金属3Dプリント技術は、生産や製造に利用されるだけでなく、金属高性能部品の修理における応用価値も、その製造自体に劣りません。現状では、金属 3D プリント技術は、製造そのものよりも、修復や成形において大きな可能性を示しています。

高性能一体型タービンブレードディスクを例にとると、ディスク上のブレードが損傷すると、タービンブレードディスク全体が廃棄され、直接的な経済損失は100万ドルを超えます。以前と比べると、今回の損失は取り返しがつかず、悲痛なものとなるかもしれません。

しかし、3Dプリントのレイヤーバイレイヤー製造特性に基づいて、損傷したブレードを特別な基板と見なし、損傷した部分にレーザー立体成形を実行して部品の形状を復元するだけで、性能は使用要件を満たすか、基板の性能を超えることができます。 3D プリントプロセスの制御性により、修復による悪影響は非常に限定されます。

実際、3D プリントで製造された部品は修理が容易で、互換性も優れています。他の製造技術と比較すると、3D 修復プロセスでは、製造プロセスと修復パラメータのギャップにより、修復領域と基板の構成、構成、パフォーマンスの一貫性を維持することが困難です。

しかし、3D 成形部品の修復ではこの問題は発生しません。修復プロセスは積層造形プロセスの延長として捉えることができ、修復領域と基板の最適なマッチングを実現できます。これにより、部品製造プロセスにおいて、低コスト製造 + 低コスト修理 = 高い経済的利益という好循環が実現します。

5伝統的な製造技術と連携し、相互補完を図る<br /> 従来の製造技術は大規模な成形製品の製造に適していますが、3D プリント技術はパーソナライズされた、または洗練された構造製品の製造に適しています。 3Dプリント技術と従来の製造技術を組み合わせ、それぞれの長所を活かし、それぞれの利点を最大限に発揮し、製造技術をさらに強力にします。

例えば、表面は高品質性能が求められるが中心部は平均性能が求められる部品の場合、従来の製造技術を使用して中心部の形状の部品を製造し、その後、レーザー立体成形技術を使用してこれらの中心部部品に表面部品を直接成形することができます。これにより、表面性能が高く中心部の性能が平均的である部品を製造でき、プロセスの複雑さが軽減され、製造プロセスが短縮されます。この補完的な生産の組み合わせは、部品の生産と製造において重要な実用的応用価値を持っています。

さらに、外部構造は単純だが内部構造が複雑な部品の場合、従来の製造技術で複雑な内部構造を製造すると、工程が煩雑になり、その後の加工手順も複雑になるため、生産コストが増加し、生産サイクルが長くなります。

同社は、外部では伝統的な製造技術を、内部では3Dプリント技術を利用して、ニアネットシェイプ成形を直接実現しています。これにより、製品の製造を完了するために必要な後続プロセスがわずかになり、生産サイクルが短縮され、コストが削減され、製造における伝統的な技術と新しい技術の完璧な組み合わせが発揮され、相互コミュニケーションと補完が実現されます。

3Dプリント技術の主な応用分野として、航空宇宙は明らかな技術的優位性を持っていますが、これは金属3Dプリントが万能であることを意味するものではなく、実際の生産において、その技術的応用において解決すべき問題がまだ多く残っています。たとえば、3D プリンティングは現在、大規模生産に適応できず、高精度の要件を満たすことができず、高効率な製造を実現することができません。

さらに、3D プリントの発展を制限する主な要因は、その機器の高コストです。ほとんどの民間分野では、このような高額な機器製造コストを負担することはできません。しかし、材料技術、コンピュータ技術、レーザー技術の継続的な発展により、製造コストは低下し続け、製造業の生産コスト負担能力を満たすようになります。その時、3Dプリントは製造分野で輝くでしょう。

出典: 3D Tribe

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