エアバスの3Dプリントチタン部品の大量生産の裏側

チタンは高価な材料であり、3D プリント技術はチタン金属の廃棄を削減する上で重要な役割を果たします。二大航空機メーカーであるエアバスとボーイングは、金属3Dプリント技術を通じてチタン合金の航空機部品を直接製造し、チタン合金部品の製造コストを効果的に抑制しようと試みてきました。
エアバスは2017年9月、量産型A350 XWBシリーズの航空機に3Dプリントされたチタン部品を初めて搭載すると発表しました。エアバスによると、3Dプリント部品は、A320neoやA350 XWB試験機など、一部の量産型エアバス機にすでに使用されている。この3Dプリント部品は、航空機のパイロン（翼とエンジンを効果的につなぐ平らな部分）にフィットするチタン製のブラケットである。この 3D プリント部品はサイズが小さいですが、ハンガー構造において重要な役割を果たします。
この3Dプリント部品は、アルコアのスピンオフ企業であるアルコニック社によって製造されていると報じられている。何よりも、粉末床レーザー溶融システムを使用することで、複数の部品を非常に迅速に製造できます。これにより、Arconic は A350 XWB 用のブラケットを一括生産できるようになります。アルコニック社は、別の契約に基づき、A320向けにチタンとニッケルで3Dプリントした他の部品も製造する予定だ。契約の1つでは、アルコニック社がエアバスのA320ファミリーの航空機向けに、高温ニッケル超合金で作られた3Dプリント配管部品を供給することになる。先進的なニッケル超合金により、これらの部品は優れた耐熱性を備え、エンジンから機体の他の部分に熱気が拡散します。

Arconicによれば、ブラケットの製造プロセスは簡単ではなく、3Dプリント技術の理解だけでなく、関連する材料の取り扱いスキルも試されたという。さらに、3D プリントされたチタン部品は、コバルトやニッケルの部品よりも硬いです。この材料は、3D 印刷中の雰囲気や印刷パラメータに対してより敏感です。 3D プリンターを購入してすぐに部品の製造を開始できるわけではありません。代わりに、製造された部品の品質と再現性を保証するために、レーザー出力やレーザー走査パスなどのマシンとそのパラメータを継続的に調整する必要があります。

デザイナーが完璧だと思ったモデルデータを 3D プリンターに入力したとしても、3D プリントが完了すると、プリンターから出てくる製品が完璧なサイズの要件を満たしていないことがよくわかります。これらの部品を印刷する場合、わずかな変更でも寸法の問題が発生する可能性があります。 Arconic は、実際の 3D 印刷プロセス中に顧客の要件を満たす部品仕様を実現するために、生産を開始する前にプロトタイプ部品の広範なモデリングとテストを実施しました。

Arconic の親会社は、軽金属技術、エンジニアリング、製造の世界的リーダーである Alcoa です。アルコアは、世界にエネルギーを供給する材料ソリューションの先駆者であり、チタン、ニッケル、アルミニウムから作られた付加価値製品を提供し、世界クラスのボーキサイト、アルミナ、アルミニウム製品を生産しています。アルコアは、航空宇宙製造を含むさまざまな業界における付加製造の需要を満たすために、下流サービス事業をアルコニックという名前で分社化しました。

Arconic は 3D プリンティングに 20 年近く携わっており、最初の 3D プリンターはミシガン州ホワイトホールの研究センターに設置されたステレオリソグラフィー 3D プリンターでした。 Arconic は、この装置を使用して精密鋳造金型を 3D プリントすることで、3D プリント技術と製造の密接なつながりを実感しました。その後、Arconic は金属およびプラスチックの 3D プリント施設をテキサス、カリフォルニア、ジョージア、ミシガン、ペンシルベニアに拡大しました。

Arconic は、航空技術から金属粉末製造、さらには航空宇宙産業のユーザー向けに製品認証に至るまでの専門的なサービスを提供できます。アルコア社の技術力に頼るアルコニック社は、従来の金属製造技術と3Dプリンティングの両方に精通しており、航空宇宙産業最大級のHIP（熱間静水圧プレス）設備を所有しています。この設備は、チタンやニッケルベースの超合金で作られた3Dプリント部品や非プリント部品の金属構造を強化するために使用されます。さらに、Arconic は 2015 年 7 月に RTI International Metals を買収し、航空宇宙用途のチタンおよびその他の特殊金属の製造能力を強化しました。

Arconic は、金属やプラスチック材料の 3D プリントによる部品製造の豊富な経験を持つ RTI を 2015 年に買収し、積層造形における大きな専門知識を獲得しました。 RTI の買収により、Arconic はチタン金属を体系的に 3D プリントできるようになりました。その後、2016 年に、Arconic テクノロジーセンター内に専用の 3D プリント金属粉末製造施設が開設されました。そこで、アルコニック社は航空宇宙分野で必要とされる 3D 印刷プロセスに最適化されたチタン、ニッケル、アルミニウムの粉末を生産しています。

注目すべきことに、Arconic は世界最大の熱間等方圧プレス (HIP) 施設を所有しています。 3D プリント部品の後処理では、通常、3D プリントされた金属部品を強化するために HIP が必要になります。

Arconic は、粉末床レーザー溶融だけでなく、独自の付加製造技術によって金属 3D プリントの未来にも貢献しています。 Arconic の Ampliforge™ テクノロジーは、Sciaky の大規模な電子ビーム積層造形 (EBAM) テクノロジーと鍛造プロセスを組み合わせたものです。この方法では、EBAM を使用してニアネットシェイプを迅速に生成し、その後鍛造技術を適用して適切な部品の強度を実現します。

従来の鍛造プロセスでは、ビレットから実際の部品に至るまで 6 ～ 8 段階を要します。 Ampliforge™ プロセスでは、プリフォームを 3D プリントし、その後一度鍛造して、従来の鍛造部品と同じ微細構造を実現します。これにより、多くの時間とリソースが節約され、部品の生産がより効率的かつ安価になります。
Arconic の経験から、3D プリントは独立した製造プロセスではないことがわかります。メーカーの要件を満たす部品を製造するには、関連する後処理技術への一連の投資とアプリケーションの統合が必要です。 3D プリント技術自体については、機器に投資するほど簡単なものではありません。
出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
エアバスA350エボリューションに3Dプリントチタン部品が初搭載エアバスは、量産型A350 XWBシリーズ機に3Dプリントチタン部品を初めて搭載した。

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