3Dプリントは航空宇宙製造の問題をワンステップで解決します

航空宇宙技術は現在世界で最も影響力のあるハイテク技術の一つであり、航空宇宙製造技術は航空宇宙技術の重要な部分です。その開発レベルは、航空機、ロケット、ミサイル、宇宙船などの航空宇宙製品の信頼性の向上と耐用年数の延長、総合的な技術性能の向上、研究および生産コストの削減、さらには全体的な設計コンセプトを実現できるかどうかに決定的な役割を果たします。 3Dプリント技術の主な応用分野は、航空機の翼の製造、複雑な部品の製造、無人航空システムなどの航空宇宙分野です。

ここでは、航空宇宙分野で3Dプリント技術がどのように活躍しているかを紹介します。

1 CEの3Dプリント航空機を詳しく見る ターボプロップエンジン分野における 3D プリントの応用における最も重要なブレークスルーは、GE が 2018 年に試験飛行を行う ATP 航空機エンジンです。これにより、付加製造を通じて達成できる新たな可能性が開かれます。 GE の先進ターボプロップ (ATP) エンジンは、1,300 馬力の定格出力を誇り、テキストロンアビエーションが発売した 10 人乗りの商用航空機セスナデナリに搭載されていますが、このエンジンの部品の 3 分の 1 以上は 3D プリントで製造されています。今回は、ネットユーザーと一緒にこのエンジンの特徴を詳しく見ていきましょう。
ジェットエンジンとは異なり、ターボプロップエンジンは通常、小型商用航空機や個人用飛行機に動力を与えますが、それでも数十億ドル規模の市場となっています。 3D プリント技術の特性に基づいて、設計者は 855 個の独立した部品を 12 個に削減しました。それだけでなく、3D プリントは ATP エンジンの重量を軽減することでコストを削減します。エンジンは 5% 軽量化され、航空機の燃料消費量を削減できます。さらに、設計変更により、ATP のエンジンは燃料の燃焼効率が向上し、従来の処理方法で製造されたエンジンよりも燃料消費量が 20% 削減され、出力が 10% 増加します。

「このエンジンは、大型商用エンジンで実証された最先端の技術をターボプロップエンジンの設計と製造に適用した点で革命的です」とGE ATPプログラムマネージャーのゴーディ・フォリン氏は語った。

ATP エンジンの革新には、3D 空気力学、可変ステーターブレード、完全に統合されたデジタルエンジンおよびプロペラ制御システムが含まれます。「テキストロン社は、より大きく、より豪華な客室を搭載するためのさらなるパワーを確保しており、エンジンは顧客が期待する巡航速度を提供し、パイロットはよりクリーンで、より合理化されたジェット機のコックピットに座ることになる」とフォリン氏は語った。

GE は 10 年以上にわたる研究開発を経て、直接金属レーザー溶融 3D 印刷技術を含む複数のプロセスを組み合わせてエンジン部品を製造しました。 3D プリントは高度に複雑な部品の加工に適しているため、ATP エンジンでは従来のターボプロップエンジンよりも部品点数が約 30% 少なくなり、エンジン製造に伴う組み立て工程や検査の数も削減されます。ジョイントの必要性を完全に排除することで、ジョイントの損失や漏れのリスクも排除する設計になっています。

「これは単に製造方法を別のものに置き換えるのではなく、航空機エンジンの設計とエンジニアリングの方法を再発明するものです」とGEの子会社であるAvio Aeroのエンジニアリング責任者、ジョルジオ・アブラテ氏は語った。ATPは、積層造形技術を広範に使用しているだけでなく、世界初の「デジタルネイティブ」航空機エンジンでもある。 ATP の設計者は、2D 回路図に頼るのではなく、高度な 3D モデリングを使用します。エンジン内のセンサーがデータを収集し、ユーザーは ATP のデジタルツインと呼ばれるものを構築できるようになります。さらに、エンジンの仮想モデルは実際の状況に基づいて摩耗を考慮するため、オペレーターは適切なメンテナンス時期を予測でき、航空機の飛行時間を延ばすことができます。このエンジンには、エンジンとプロペラを単一のコントロールレバーで制御する技術も搭載され、パイロットはデナリ機をジェット機のように操縦することができる。

エンジン内部では、燃焼室と多くの構造要素が 3D プリント技術を使用して完成され、業界最高の総圧力比 (OPR) 16:1 を備えた、よりシンプルで軽量かつコンパクトなエンジンが実現しました。これにより、競合製品と比較して、燃料を 15% 節約し (設計の燃料燃焼効率の向上により)、巡航パワーを 10% 向上させることができます。
一般的に、3D プリント技術は、ATP パワーギアボックスを含む、現在のデナリエンジンの最も重要なコンポーネントを完成させました。さらに、3D プリント技術により、設計エンジニアは新しい合金など、これまで利用できなかった材料の組み合わせを採用できるようになります。

3D プリント技術は、ラップアラウンド型対向流構成を特徴とする ATP 燃焼器の設計と製造にも使用され、エンジンの長さを最小限に抑えながら、エンジン全体の重量と装備を改善しました。また、3D プリンティングにより、エンジニアは、従来の製造プロセスでは時間がかかりコストもかかりすぎるプロセスである、多数の設計コンセプトの試作と機能テストを低コストで実行できるようになります。
さらに、ATP エンジン開発チームは、イタリア、ポーランド、ドイツ、チェコ共和国の GE 拠点を含む世界各地から集まっています。 ATPエンジンの本格生産は来年から始まり、ATPエンジンを搭載したセスナ・デナリは2019年後半に滑走路を離陸する予定だ。

2.3Dプリントが新しい世界を創る
3D プリント技術が登場する前は、立体物が印刷されるという素晴らしい感覚を想像することも、体験することもできませんでした。そして今、すべてが手の届くところにあります。

最近、米国のローレンス・リバモア国立研究所は、新しい炭素繊維3Dプリント技術を発明しました。同研究所が開発した新しいマイクロ押し出し技術により、航空グレードの炭素繊維複合材料の3Dプリントを実現しました。同研究所は、この成果を達成した世界初の機関となりました。ご存知の通り、炭素繊維は「未来のスーパー素材」と呼ばれています。非常に強くて軽く、耐熱性も極めて高く、伝導性も優れています。そのため、多くの面で非常に役立っていますが、複雑な形状にするのは簡単ではありません。この新しい技術は制約から解放され、高性能な航空機の翼、片面絶縁衛星部品、絶縁ウェアラブルデバイスなどを印刷できるようになりました。

3D プリント技術では、航空宇宙分野で高精度部品を印刷できるだけでなく、重金属も印刷できます。以前、ドイツ連邦教育研究省は、世界的に有名なロボットメーカーと協力して、新しい金属 3D プリントプロジェクトを立ち上げました。このプロジェクトは、レーザー金属堆積技術に焦点を当て、それを産業グレードのロボットアームと統合して、最終的には、1時間あたり1〜2キログラムの印刷速度で複雑な表面に複数の材料を印刷できる、より強力な金属3D印刷システムを開発します。

医療分野でも、3Dプリント技術は人々に貢献することができ、骨折患者にとっては「朗報」ともいえる。最近、世界初の3Dプリント用低温熱可塑性フィラメントが英国で発売されました。英国企業が、骨折患者の負傷治療の改善につながる世界初の3Dプリント用低温熱可塑性消耗品を開発した。この化合物は、ある一定の温度で元の形状に戻ることができますが、この変形は人体の体温では起こりません。医師はこの付加製造方法を使用して、患者用の義肢、副木、その他の医療機器を印刷し、特別な患者に合わせてカスタマイズして、患者が安全で快適な体験を得られるようにすることができます。

印刷には新しい機能があり、3D はもはや私たちの生活から遠い存在ではありません。科学技術の進歩により、3D プリンティングはますます多くの分野に応用され、より多くの価値を生み出すでしょう。

出典: 国際金属加工ネットワーク詳しい情報:
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