【分析】航空宇宙産業におけるラピッドプロトタイピング技術の応用と開発

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-9-21 10:25 に最後に編集されました。

従来の切断と除去成形の減算原理とは異なり、この離散成長ベースの成形技術は、製品を付加的に取得します。CAD ファイルから直接製品の物理的なプロトタイプ (サンプル) を迅速に作成して、製品の外観、部品の組み立て関係を確認したり、機能テストを実行したりできるため、測定可能で触覚的で直感的な手段が提供され、設計プロセスにおける人間とコンピューターのコミュニケーションが改善され、製品開発サイクルが短縮されます。ラピッドプロトタイピング技術は、CNC 技術に続く製造業界におけるもう一つの大きな革命です。

ラピッドプロトタイピング技術は、1980 年代半ばから後半にかけて開発された新しいデジタル製造プロセス技術です。 RP技術の加工原理は、離散積層成形の考え方に基づいています。CADモデルによって直接駆動され、部品の3次元デジタルモデルを離散化し、デジタル統合の考え方に従って層ごとに加工することで、あらゆる複雑な形状の3次元ソリッド部品の製造と加工を迅速に完了します。ラピッドプロトタイピングプロセスは、前部と中間部の人間とコンピューターの相互作用に分割でき、製品開発サイクルが短縮されます。ラピッドプロトタイピング技術は、CNC 技術に続く製造業界におけるもう一つの大きな革命です。

ラピッドプロトタイピング技術のプロセス特性
RP は、積層造形法または積層造形技術とも呼ばれる、層ごとに材料を蓄積する方法を使用してソリッドモデルを処理します。この特殊な処理方法により、従来の処理方法とはまったく異なる次の技術的特徴が明らかになります。
（１）高い柔軟性あらゆる複雑な形状の三次元立体を製造できます。加工プロセスでは、ツール、金型、固定具などの生産準備は必要ありません。異なる部品モデルについては、CADデータを再入力するか、異なる設定を調整するだけで済みます。上海連泰科技有限公司の副総経理である馬金松氏は、長年にわたり、3次元および光立体造形レーザーラピッドプロトタイピング技術の応用と市場調査に従事しています。航空業界におけるラピッドプロトタイピングの応用このプロセスは、初期段階のデータ処理（離散）とその後の物理的実現（堆積）の2段階で構成されています（図1を参照）。離散化プロセスでは、部品の3D CADモデルを特定の方向に沿って分解して一連の断面データを取得し、これに基づいて成形ヘッドの動作軌跡を取得します。蓄積プロセスでは、成形ヘッドが動作軌跡の制御下で部品の各断面を層ごとに処理し、断面の層の蓄積と接続を繰り返して、最終的に処理された部品を取得します。従来の切断と除去成形の減算原理とは異なり、この離散成長ベースの成形技術は、製品を付加的に取得します。CAD ファイルから直接製品の物理的なプロトタイプ (サンプル) を迅速に作成して、製品の外観、部品の組み立て関係を確認したり、機能テストを実行したりできるため、設計プロセスのプロセスパラメータを改善するための測定可能で触覚的で直感的な手段が提供されます。単一部品の製造コストは、製品の複雑さとバッチサイズにほとんど依存しません。

（２）CAD/CAMが高度に統合されている。 RP テクノロジーは CAD モデルによって直接駆動されます。さまざまな部品の製造では、特殊なツールや固定具の設計や使用を考慮する必要がないため、面倒な CAPP ボトルネックを回避できます。製造プロセスは完全にデジタル化されており、CAD/CAM 間のシームレスな統合が真に実現されます。
（３）成形工程全体の速度CAD 設計から試作部品の製造まで、高精度で忠実度の高い製品を得るのに通常数時間から数十時間しかかからず、これは従来の処理速度をはるかに上回ります。
（4）高度な自動化このプロセスは完全に自動化されており、処理中に人間の介入は必要ありません。部品がロードされた後は、装置は無人で稼働できます。

ラピッドプロトタイピング技術の応用方向<br /> 1980 年代以降、RP 技術は急速に発展し、自動車、航空宇宙、医療、軽工業など多くの分野で広く使用されてきました。その応用方向は主に 3 つの側面に分かれています (図 2 を参照)。

（１）モデルRP 技術は、「目に見えるが、触れられない」3 次元モデリングの問題を解決しました。その最大の特徴は、設計モデルを「目に見える」(3 次元デジタルモデル) から「触れられる」(物理モデル) にすることで、設計アイデアを特定の構造機能を備えた製品プロトタイプに最速で変換できることです。そのため、RP技術の主な機能の1つは、デザインアイデアを復元し、コンセプト製品を迅速に入手することであり、外観と表示効果の復元に重点を置いています。通常、新製品の販売デモンストレーションやマーケティングに使用され、市場の反応をテストすることで、新製品開発の市場反応速度を向上させ、開発リスクを軽減します。

（２）プロトタイプRP 技術によって得られるラピッドプロトタイプにより、製品の組み立て性と製造性を十分に評価できます。 RP技術のCAD/CAMの高度な統合により、製品の外観を迅速に復元できるだけでなく、製品部品や構造部品を迅速に製造できるため、製品の構造と組み立てを検証および分析し、製品設計を迅速に評価およびテストし、製品開発サイクルを短縮し、開発コストを削減し、市場競争への参加能力を向上させることができます。さらに、製品のプロトタイプを迅速に入手することができます。これを基に、製品の金型設計、生産技術、組み立て工程、さらにはバッチ生産ツールや治具の設計など、その後の製造工程を検証・評価し、バッチ生産工程に入った後に設計上の欠陥によって生じる生産上の問題や莫大な損失を回避し、最速、最低コスト、最高の品質で製品を市場に投入することができます。実際、R&D/生産システムが適切に統合されれば、ラピッドプロトタイピング技術は、並列エンジニアリングとアジャイル製造を実現するための非常に効果的な技術手段になります。

（３）セル生産・小ロット直接生産間接成形法と各種変換技術を組み合わせてRPプロトタイプをシリコンモールド技術、RIM技術、ロストフォーム鋳造などの各種急速金型に変換することで、単品または小ロットの製品生産を容易に実現し、急速な製品更新と小ロットの開発動向に対応できます。

航空宇宙分野におけるラピッドプロトタイピング技術の応用例<br /> 航空宇宙製品は、形状が複雑、ロットが小さい、部品の仕様が大きく異なる、信頼性要件が高いなどの特徴があります。製品の完成は複雑で精密なプロセスであり、多くの場合、複数の設計、テスト、改善が必要であり、コストと時間がかかります。RPテクノロジーは、柔軟で多様なプロセス方法と技術的な利点を備えており、現代の航空宇宙製品の研究開発において独自の応用展望を持っています。商業化されているあらゆる種類のラピッドプロトタイピングプロセスの中で、ステレオリソグラフィー装置 (SLA) 技術は最も成熟しており、産業分野で最も広く使用されている主流の RP 技術です。 SLA技術は光重合を利用して硬化と成形を行うため、熱拡散や熱変形は発生しません。また、連鎖反応を正確に制御できるため、レーザーポイントの外で重合反応が発生しません。その結果、加工精度が高く、表面品質が良好で、原材料の利用率が100％に近く、成形効率が高くなります。また、SLA技術は熱の影響がないため、さまざまなサイズや仕様の複雑で微細な部品を製造でき、幅広い用途と優れた総合安定性を備えており、航空宇宙製品の精度、表面品質、安定性を満たすことができる唯一の技術です。

工業デザイン、コンセプト製品の迅速な取得、設計コンセプトの復元展示会ディスプレイ市場/販売デモンストレーション入札用の物理ディスプレイ設計の検証と分析設計の再現性と最適化構造、アセンブリ、および機能の検証モデル概念化とプレゼンテーション真空射出成形（シリコン型）低圧射出成形（RIM、エポキシ樹脂型）クイックキャスティング（QuickCasting）プロトタイプの設計、分析、検証、テストパターン/部品二次成形と鋳造操作と小ロット生産（データ）離散（物理）スタッキング CADモデルの前処理ラピッドプロトタイピング後処理 CADデータ構築サポート。 STLモデルの作成プロトタイプSTLLOMSLSFDMTDPの生成。 STLに必要なラピッドプロトタイピング技術。現在、ベルギーのMaterialise社のMammothレーザーラピッドプロトタイピングシステムは、一度に最大2200mmまで処理できます。中国では、上海聯泰科技有限公司のRS800設備は、最大800×600×500mmの成形スペースを提供し、最小壁厚は0.4〜0.6mmで、ほとんどの航空宇宙ラピッドプロトタイピング部品の要件を満たすことができます。以下では、航空宇宙産業におけるラピッドプロトタイピング技術の実際の応用事例について簡単に説明します。

（１）展示モデル：誘導爆弾翼アセンブリ。図3は2008年の珠海航空ショーで展示された空軍の250kg誘導爆弾の一種です。このミサイルは、既存の旧式の航空爆弾本体に翼部品を追加して改造されたものである。展示されている緑色の爆弾本体は通常の航空爆弾で、白い部分は翼アセンブリで、UnionTech の RS6000 レーザーラピッドプロトタイピングマシンで完全に製造されました。この模型の最大翼幅は約1.2メートルで、SLA製造に7日間、表面処理に3日間を要し、組み立て全体は10日以内に完了し、模型がタイムリーに航空ショーに参加できることを効果的に保証しました。

（２）機能説明と実演モデル：航空機エンジン図4は、米国ゼネラルモーターズの実物大航空機エンジンモデルです。すべての部品はSLA技術を使用して製造されています。製造工程では、外殻に開閉可能なセクションを特別に設計して内部構造を完全に露出させることもできます。これにより、製品の内部コンポーネントの表示や機能の説明が容易になります。

（３）塗装設計評価モデル：C919外観モデル図5は、UnionTechのRS6000を使用して1:100の比率で作成されたC919の縮小モデルであり、主にさまざまな胴体塗装スキームの効果を迅速に評価するために使用されます。まず、IGS 形式のデータが Magics ソフトウェアにインポートされ、主に、反対の法線方向定義を持つサーフェス、正常に接続されていないサーフェス (サーフェス間に交差とギャップがある)、またはデータ変換中に輪郭が欠落したサーフェスの統一トリミングを含む、欠陥のあるデータの処理と修復が行われます。トリミングされたデータは、2 mm の壁厚に従ってシェル化され、プロトタイプ処理のために RS6000 装置にロードされます。プロトタイプが作成された後、さまざまなコーティングスキームの要件に従って表面にスプレーが行われます。従来の手動モデリングと比較して、塗装モデルの製造に SLA テクノロジを使用すると、速度が速く、効率が高いという 2 つの明らかな利点があります。データ処理時間は約 1 日、SLA スケールモデルの製造時間は約 13 時間、後処理時間は 4 日です。手動モデルと比較して、SLA プロトタイプは、翼胴融合、エンジン部分、舵面ラインなどの詳細など、高い精度とデータ復元を備えています。

（４）風洞模型：ある無人機の風洞試験モデル。風洞試験は、航空機の空力形状と飛行性能を試験するための、あらゆる航空機の開発において不可欠かつ重要なプロセスです。低速風洞試験モデルは、正確なモデルデータと一定の強度を必要とし、通常は金属CNCを使用して加工され、その後、手作業による表面研磨が必要です。加工サイクルが長く、コストも高くなります。また、比較的重量があり、試験操作が不便です。現在のラピッドプロトタイピング技術では、精度と強度の点で風洞モデル全体の要件を完全に満たすことができません。 Liantai Technology は、国産のカーボンファイバーとラピッドプロトタイピングおよびラピッドツーリング技術を組み合わせて、ある UAV プロジェクト用の風洞試験モデル (1:13) を迅速かつ低コストで製造し、低速試験の要件を満たしました。模型全体の製作時間は5週間ですが、従来の金属製風洞模型の製作には通常3～5か月かかります。カーボンファイバー模型のコストはスチール模型の約4分の1にすぎません。風洞試験モデルの製造に鋼鉄の代わりに炭素繊維を使用すると、製造コストと生産サイクルが削減され、機械的特性が向上し、全体的な経済効率が優れ、低速風洞試験のニーズを満たすことができます。しかし、複合材料の精度管理と金属材料のCNC加工の間にはまだ一定のギャップがあるため、より高い精度が求められる高速送風試験には、さらなるプロセスの改善と最適化が必要です。

（５）単一製品の迅速な製造- 特定の種類のミサイル本体の迅速な精密鋳造。精密鋳造は航空機部品の大部分を占め、多種多様で形状が複雑であることが特徴です。従来の鋳造方法はサイクルが長く、コストも高くなります。 RP 技術と鋳造技術の組み合わせにより、より高速、より高精度、より複雑な構造の鋳造プロトタイプとモールドシェルの製造に技術サポートを提供します。これは金属部品を迅速に製造する効果的な方法であり、特に単品および小ロットの鋳造品の製造に適しています。 SLA プロセスは、優れた寸法安定性と良好な表面品質を備えているため、航空宇宙分野で一般的に使用される一部の薄肉で大型フレームサイズの複雑な構造部品にとって、かけがえのない技術的利点を持っています。

連泰科技が製造したあるタイプのミサイル本体の急速鋳造SLAプロトタイプは、5つのセクションで構成されています。1つのセクションの最大長さは550mm、壁の厚さはわずか2.5mmで、チタン合金で鋳造されています。このような鋳造品を従来のロストキャスト技術で作る場合、原型となる鋳型やワックスモデルの作成が非常に難しく、鋳造の難易度も非常に高くなります。 SLA を使用すると、大規模で高精度なプロトタイプを簡単に作成できます。発射体のSLAプロトタイプは特殊なデータ処理を経て、内部にハニカム中空構造を持ち、より優れた焼成性能を実現すると同時に、スラリーコーティングや砲弾製造に十分な強度も維持できます。初期のデータ処理から後処理（後硬化および気密性テスト）まで、ミサイル本体の SLA プロトタイプ一式の製造にはわずか 7 日程度しかかからず、生産効率が非常に高くなります。 SLA 技術を迅速な鋳造生産に使用する目的は 2 つあります。1つ目は、鋳造の難易度が高いため、鋳造用のプロトタイプを迅速に取得して、さまざまな鋳造パラメータを適時に取得し、部品の鋳造性を検証し、後続のバッチ生産の鋳造プロセスの改善と完成の基礎を提供する必要があります。2 つ目は、小ロットまたは単一部品の生産の場合、SLA プロトタイプを使用してロストキャスティングのワックスパターンを直接置き換え、最終製品を取得し、複雑なワックスモールドの膨大な開発コストと長い生産サイクルを回避することです。

私の国におけるラピッドプロトタイピング技術の応用状況と分析
1980 年代以降、RP 技術は急速に発展しました。 2000 年頃、わが国におけるラピッドプロトタイピングアプリケーションは普及段階に入り始め、次第に成熟し、2006 年頃にピークに達し、その後徐々にプラットフォーム開発期に入りました。一般的に、我が国のラピッドプロトタイピング産業は現段階で次のような特徴を持っています。

（１）RP技術に対する理解や知識に誤解がある。ラピッドプロトタイピング技術は、伝統的な処理とは大きく異なる独特のプロセスと優位性のため、導入の初期段階では常に神秘的でした。そのため、わが国の産業界におけるラピッドプロトタイピング技術に対する理解は、まだ非常に概念的で、あまり成熟していません。海外の状況と比較すると、ほとんどのアプリケーションモデルはまだプロトタイプの概念にとどまっており、その本質に対する理解と認識はまだあまり深くありません。この誤解は、初期段階では技術の推進にプラスの影響を与えましたが、ラピッドプロトタイピング業界の徹底的な開発と継続的な使用にはマイナスの影響も及ぼしました。

（2）RP技術の普及と利用には南北で大きな差がある：中国の改革開放過程の特徴により、工業は南部沿岸地域から北部内陸地域へと徐々に拡大・普及しており、新技術の導入と応用もこの傾向に従い、段階的に普及していくだろう。現在、ラピッドプロトタイピング技術は南部沿海地域では比較的成熟したプロセスとなり、過当競争も発生しているが、広大な内陸地域の企業によるRP技術の理解と受容はまだ始まったばかりであり、業界全体は南部が重く、北部が軽い状況となっている。我が国の航空宇宙産業の大半は内陸北部に分散しているため、この不均衡な配置により、我が国の航空宇宙産業におけるRP技術の応用と推進はまだ比較的初期段階にあります。

（3）RP技術の応用需要はまだ十分に探求されていない：中国の製造業レベルの発展に伴い、さまざまな国際最先端の製造ソフトウェアと設備が次々と導入され、デジタル設計とデジタル製造能力が大幅に向上しました。しかし、長年にわたる中国の製造企業の伝統的なシステムの慣性と制約により、設計とプロセス、研究開発と製造の間の断絶は依然として比較的明白です。設計部門と製造部門は、元の仕事の考え方と仕事の習慣に固執して維持し、それぞれが独自のことを行っているため、設計と製造を統合した生産モデルを真に実現することは困難です。この認識とシステムの断絶により、CAD/CAM 間の有機的な架け橋としての RP 技術の核心的な重要性が深刻に無視されるようになりました。RP 技術を使用して問題を解決しようとする認識と意欲は非常に低く、多数の潜在的なアプリケーションニーズが十分に刺激されていません。

（4）RP技術の入出力効果は明らかではなく、その応用価値は十分に反映されていない。従来の加工方法と比較すると、生産サイクルと柔軟性に大きな利点があるものの、ラピッドプロトタイピング設備と生産コストは依然として比較的高い。現在の国内ラピッドプロトタイピング設備の購入者を見ると、主に大規模・中規模の国有製造企業、大学、地方政府主導の推進センター、南部沿岸地域の大手OEM/ODM企業、民間の試作サービスセンターに集中している。大規模および中規模の国有企業の場合、制度上の制約により、新技術や新プロセスを採用する意欲が弱く、設備の利用効率が低いという問題があります。一方、大学や推進センターでは、必要な市場運営メカニズム、管理システム、成熟した支援技術が不足しているため、市場の実際のニーズからはまだ一定の距離があり、深く体系的なソリューションを提案することができず、RP技術の適用がより形式的になり、顧客体験が悪く、技術の価値が十分に反映されていません。 RP 技術の投入産出比率が低いのは、現段階でわが国での応用レベルが低いことに大きく関係しています。ラピッドプロトタイピング技術の莫大な暗黙の経済的価値が正しく十分に認識され、評価されていません。

開発の提案<br /> 要約すると、ラピッドプロトタイピング技術は急速に発展し、改善しているハイテクであり、その優位性と応用の見通しはますます多くの人々に認識されています。RP技術の応用の基礎はラピッドプロトタイピングであり、これにより概念設計から製品設計生産モードへの迅速な切り替えが可能になります。現在、我が国のラピッドプロトタイピング技術に対する理解と応用は依然として低いレベルにあり、航空宇宙産業ではまだ初期段階にあります。応用レベルはまだ比較的浅いです。まさにこのため、私たちが想像できる需要空間も非常に巨大です。ラピッドプロトタイピング技術の普及と応用を推進する過程で、私たちは2つの側面で良い成果を上げることにこだわるべきです。

（１）ラピッドプロトタイピング技術について比較的正確な理解を持っている。完璧な技術的プロセスなど存在しないので、非現実的なほど高い期待を持つべきではありません。ラピッドプロトタイピング技術の本質を合理的に理解し、正常な状態に戻すことによってのみ、RP 技術が実際の生産プロセスに正確に適用されることを保証できます。

（２）同時に、研究開発と生産のギャップを埋める上でラピッドプロトタイピング技術が果たす大きな役割を十分に認識する必要がある。体系的な設計と製造の統合という点では、概念、思考、システム設計などの面で、私たちはまだ大きく遅れをとっています。私たちは、固有の区分化のシステムを打破し、設計と技術の間に正しい秩序を確立しなければなりません。これら二つの問題を解決することによってのみ、ラピッドプロトタイピング技術の役割と価値が相応の注目を集め、国民経済の主戦場に反映され、我が国の航空宇宙産業の技術発展を促進する上で然るべき役割を果たすことができる。

著者: 上海連泰科技有限公司馬金松

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