3Dプリンティングと航空業界の軽量化への道: エアバスのRFフィルターの50%軽量化が答え

課題:通信衛星RFフィルタの性能、生産効率、カスタマイズ性の向上

ソリューション: 3D Systems ProX DMP 320 プリンターにより、実証済みのプロセスと LaserForm AlSi10Mg(A) 材料を使用して、新しい部品設計が Airbus Defence and Space での厳しいテストに合格することができました。

結果：
3Dプリントによる新しいデザインは、元の分割設計を統合設計に組み合わせ、フィルター全体の重量を軽減し、生産時間を短縮し、コストを削減します。フィルターの重量は50％削減されます。
材料の品質と実証済みのプロセスにより、RFフィルター（RF）のパフォーマンスを向上させる設計が実現します。

過去 2 年間 (2015 年と 2016 年) は、航空宇宙産業におけるダイレクトメタルプリンティング (DMP) の転換点であったと言えます。この技術は、試作から航空宇宙部品およびアセンブリの生産へと急速に移行したからです。

この間、エアバス・ディフェンス・アンド・スペースは 3D Systems と共同で大きな進歩を達成しました。商用通信衛星での使用に向けてテストおよび検証された初の 3D プリント無線周波数 (RF) フィルターです。このプロジェクトは、欧州宇宙機関（A0/1-6776/11/NL/GLC：3D積層造形法を使用した最適化された導波管コンポーネントのモデリングと設計）によってサポートされています。

フィルターのヒント

金属製 RF フィルターまたは導波管フィルターの歴史は、50 年前の最初の航空通信システムにまで遡ります。フィルターの役割は交通警官のようなもので、ある周波数範囲内の信号を通過させ、その範囲外の信号をブロックします。

3Dプリントにより、エアバス・ディフェンス・アンド・スペースは、RF電流を効率的に通過させる超楕円形に基づいた新しいRFフィルターを設計することが可能になった。

業界の主な傾向は、単一の衛星内で複数のビームの容量を増やすことです。エアバス・ディフェンス・アンド・スペース社が製造したユーテルスタット KA-SAT などの大容量衛星は、約 500 個の RF フィルターと 600 個を超える導波管フィルターを搭載できます。これらのフィルターのほとんどは、特定の周波数の信号を処理するために特別に作られています。

厳しい要件を満たす

通信衛星は、航空宇宙産業が重量を減らす必要性を示す一例です。通信衛星を静止軌道に乗せるには、1キログラムあたり2万ドルの費用がかかります。ほとんどの衛星の寿命は約 10 ～ 15 年であるため、継続的な革新的な設計と製造時間の短縮も重要です。

軽量化、革新、生産時間の短縮というニーズは、まさにダイレクトメタルプリントが実現できるものです。この RF フィルタープロジェクトでは、3D Systems の ProX DMP 320 を使用して、メーカーが個別のフィルターコンポーネントを統合し、フィルターの形状と表面を改善することでフィルターの機能を強化できるようにしています。これは従来の製造方法では不可能です。カスタマイズされた設計により、フィルターの製造時間とコストも効果的に削減されます。もちろん、素材の強度を向上させながら、フィルターも軽量化を実現しています。

プロエックスDMP320
ベルギーのルーヴェンにある 3D Systems の生産センターでは、ProX DMP 320 のテスト段階ですでにプリンターの適用性を検証しています。成功したプロジェクトには、トポロジーの最適化、軽量化、通信衛星用のブラケットやストラットアセンブリなど、航空宇宙で実証済みのコンポーネントの統合などがあります。エアバス防衛宇宙プロジェクトは、3D Systems Leuven が RF フィルターを生産する初めてのプロジェクトです。

ProX DMP 320 は、高精度の部品を高出力で製造でき、LaserForm のさまざまな合金 (チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、クロム、コバルトクロム) を使用して印刷できます。

エアバス・ディフェンス・アンド・スペース社が設計した 3D プリント RF フィルターが衛星ペイロードに組み込まれています。新しいフィルターは、古いものより 50% 軽量です。

交換可能な製造モジュールにより、さまざまな成形材料を変更する際のアプリケーションの汎用性と効率的な設備利用が向上します。制御された真空成形チャンバーにより、各部品の性能、密度、化学的純度が保証されます。

画期的な革新的なデザイン

エアバス・ディフェンス・アンド・スペースの RF フィルタープロジェクトは、3D プリントの能力を実証する素晴らしいプロジェクトであり、何十年も大きな変化がなかった航空業界に新しい革新的なデザインを提供します。

これまでの RF フィルターは、長方形の空洞や導波管の断面などの従来の標準化された要素に基づいて設計されていました。部品の形状と接続は、フライス加工や放電加工などの一般的な製造プロセスによって決定されます。次に、フィルターキャビティを機械加工して 2 つの部品を固定する必要があります。当然、これは重くなり、組み立て作業が増え、生産時間も長くなり、追加の品質評価が必要になります。

凹型超楕円設計に基づく3DプリントRFフィルターの内部構造

3D プリントを使用して部品を製造することで、エアバスディフェンスアンドスペースは設計上の制限や追加の製造コストを回避できます。

CST MWSは、ドイツのCST社が発売した高周波3次元電磁場シミュレーションソフトウェアです。3DプリントRFフィルターの設計に使用され、設計の最適化に費やす時間はわずかです。 3D プリントによってもたらされる製造の柔軟性により、フィルター用の凹型超楕円設計の空洞が作成されます。独自の形状により、RF 電流の通過が容易になり、エネルギー損失に基づく導波管効率の尺度である Q 係数と外部信号からのシールドのバランスが保たれます。

「画期的なイノベーションは、製造可能かどうかではなく、純粋な機能性に関するものです」と、3D Systems Leuven のプロジェクトエンジニアである Coen Hobschitz 氏は語ります。「次は、どのように設計するかを考えなければなりません。このプロジェクトは、形態が機能に従うという典型的な例です。」

エアバス・ディフェンス・アンド・スペースが設計した 3D プリント RF フィルターは、元の個別の設計を 1 つの統合設計に組み合わせ、全体の重量を軽減します。 3Dプリントは生産時間の短縮とコスト削減に役立ちます

英国スティーブニッジのエアバス・ディフェンス・アンド・スペース社の RF フィルターエンジニア、ポール・ブース氏は次のように語っています。「3D プリントによって可能になったモノリシック設計の主な利点は、数量、コスト、時間です。フィルターには部品を固定するための留め具が不要になったため、部品の数が減ります。直接金属プリントでは、部品の外側の輪郭が内側の輪郭に近くなるという追加の利点もあります。コストと製造時間のメリットは、組み立てと後処理の時間が短縮されることから生まれます。」

「これは単に部品を作るために良い機械を使うということではなく、3D Systems の製造プロセスの強さを真に反映したものであると認識しました。」

表面品質の懸念を解消

当初、3D プリントされた金属部品の異なる表面構造が問題と考えられていましたが、エアバスディフェンスアンドスペースによる徹底的なテストの結果、この懸念は解消されました。

「3D プリント部品のマイクロトポロジーは機械加工部品とは異なります」とブース氏は言います。「機械加工部品の表面は鋭い起伏がありますが、3D プリント部品は球状の粉末を融合して作られており、それほど鋭くはありません。」

「ほぼ球形の 3D プリント粉末粒子は、急勾配というよりは波打った形状の部品を生成します」とホブサイズ氏は言う。「しかし、より効率的なフィルター部品を成形する能力は、表面トポロジーの問題をはるかに上回ります。」

「3D Systems の成果には非常に満足しています。フィルターの表面仕上げについては社内から多くの肯定的なフィードバックをいただいています」とブース氏は語ります。「X 線 CT スキャンをいくつか実行しましたが、部品の密度と表面品質には非常に満足しています。」

厳しいテストに合格

異なる処理パスを使用して ProX DMP 320 で印刷された 3 つのアルミニウムプロトタイプが、エアバスディフェンスアンドスペースのスティーブニッジセンターでテストされました。振動、衝撃、極端な温度や真空状態などの熱条件など、打ち上げ時および軌道上での動作中に試験片が経験する条件をシミュレートします。 3 つのアルミニウムサンプルは顧客の要件を満たし、さらにそれを上回りました。コンポーネントの最高のパフォーマンスは、電解プロセスによって銀メッキされたフィルターから得られます。

3D Systems は、3D プリントに加えて、実証済みの粉末処理、材料密度制御、実証済みの後処理、信頼性の高い品質管理など、このようなプロジェクトに不可欠な付加価値を提供します。

ブース氏は、この追加の経験がプロジェクトの成功に大きく貢献したと認識しています。「部品を作るために優れた機械を使用するだけでなく、3D Systems の製造プロセスの真の強みも重要だと認識しました。」

大きな潜在的ROI

部品の印刷プロセスが検証され、部品がエアバス防衛宇宙部門の最高の航空宇宙基準を満たしたため、エアバスは金属印刷の投資収益率を検討し始めることができます。 CFO はこのプロジェクトの ROI に非常に満足していました。ターンアラウンド時間の短縮、生産コストの削減、部品重量の 50% 削減などです。

「部品の最適化に多くの時間を費やすことなく重量を半分に減らすことができ、構造設計をさらに進めることでさらに重量を減らすことができます。重量が減るとロケットに使用する推進剤が減り、コスト削減につながります。また、支持構造の要件も低くなるため、さらに重量を減らすことができます。」

「このプロジェクトの成功により、RF フィルターの機械的コンポーネントと熱的コンポーネントの統合が進み、部品数と総重量の削減が実現します。また、テストカプラをフィルターの一部として、または導波管に直接組み込むなど、さらなる機能を統合することも検討します。部品の重量を削減すると同時に、製造時間とコストを削減できる可能性は大いにあります。」

出典: 3D SYSTEMS

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