【詳細解説】航空機エンジン整備における3Dプリント技術の応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-23 15:18 に最後に編集されました。

付加製造技術の最も重要な応用分野は航空宇宙分野です。米国の「付加製造ロードマップ」では、付加製造の最初の産業応用ターゲットとして航空宇宙のニーズが挙げられています。ボーイング、GE、ハネウェル、ロッキード・マーティンなどの有名な米国の航空宇宙企業はすべて、国立付加製造イノベーション研究所 (NAMII) のメンバーです。これまで、航空機エンジン製造における3Dプリントの応用に注目してきましたが、航空機エンジンのメンテナンス用スペアパーツの調達、再製造能力の向上、戦場での緊急修理などの問題を解決する上で、3Dプリント技術が果たす重要な役割を見落としていました。次に、航空機エンジン部品の3Dプリント技術システムと、高圧タービンブレードのメンテナンスへの応用について具体的に分析します。

1 航空機エンジンのメンテナンスにおける3Dプリント技術の役割

1.1 3Dプリント技術が航空機エンジン整備におけるスペアパーツ調達の問題を解決
問題: 3D プリント技術は海外の航空会社から広く注目されており、3D プリントされた航空機エンジン部品が次々と登場しています (表 1 を参照)。 2014年、シーメンスは世界の工業製造業界で初めて、3Dプリント製造技術を金属部品の実際の生産に適用した企業になったと報告されています。エンジン、特に輸入エンジンの使用およびメンテナンスにおいて、寿命部品、摩耗部品、交換必須部品などの部品は、航空エンジンメンテナンス会社にとって最も困難な問題です。

3Dプリントエンジン部品の登場により、エンジンのメンテナンスに必要なスペアパーツの購入問題が解決されました。従来は従来の方法を採用していたものの、短期間で設備や工程などの基本条件を満たすことができなかった航空エンジン整備会社でも、3Dプリント技術を習得し、必要なスペアパーツを製造することで、部品の製造が可能になりました。小ロットの需要がある航空エンジンメンテナンス会社にとって、3D プリントは製造コストを節約するだけでなく、メンテナンスサイクルを短縮します。

1.2 3Dプリント技術により航空機エンジンのメンテナンス時の部品の品質が向上
製造能力：航空機エンジンの重要なコア部品は、運転中にひどく損傷して廃棄され、スクラップの量が多く、損傷パターンが複雑であるため、エンジンのメンテナンスサイクルとコストを制限する主な要因となっています。このような要因には、アブレーション、亀裂、異物による損傷が含まれます[1]。そのため、コンプレッサーブレードやタービンブレードなどの航空機エンジンの重要なコア部品の再製造技術は、欧米の先進国によって厳しくブロックされている重要なコア技術です。 3D プリントは、パーソナライズされた効率的な再製造手段を提供し、欧米の先進国では航空機エンジン部品の再製造に好まれる技術となっています。 3Dプリント技術は、航空機エンジン部品の再生のための重要な技術手段として、国内外で最先端の研究技術および応用分野の一つです。

1.3 3Dプリント技術が戦場装備の緊急修理に変化をもたらす
3Dプリント技術は、エンジン戦場装備の緊急メンテナンスやサポートに特に適しており、装備サポートに革命的な変化をもたらすでしょう。それは主に 2 つの側面に反映されます。
まず、3Dプリント技術を利用することで、戦場で損傷した部品をタイムリーに製造することができます。将来の情報化ハイテク戦争では、戦場で損傷した部品の交換が必要になった場合、3Dプリンター設備を利用して戦場で直接必要な部品を製造し、組み立てた後に再び戦場に投入することで、装備品の一部が故障しても修理できないというジレンマを回避し、損傷した武器や装備品を再生することができる。製造業の発展における新たな潮流となる3Dプリント技術は、将来的には伝統を覆すような設備の技術的保守・サポートの手段となることが予想されます。
第二に、3D プリント技術は物流サポートへの負担を軽減することができます。 3Dプリント技術は、従来の設備生産プロセスモードとは異なり、コンセプト設計、技術検証、生産製造を統合し、設備の「コンセプト」から「完成」までの時間差を大幅に短縮し、設備の更新サイクルを加速し、いつでもどこでもオンデマンドで生産を実現します。

2 3Dプリント技術の分類と特徴<br /> 航空エンジン金属部品に適した 3D プリント技術には主に 5 つの種類があり (表 2 を参照)、航空エンジンのメンテナンス中に部品の製造や再製造に使用できます。そのうち、再製造に使用される主なものは、レーザーネット成形、電子ビームヒューズ堆積、プラズマビームヒューズ堆積、プラズマビームパウダー堆積です。これらの技術は、特殊な装置、原材料、プロセスに対応しています。航空機エンジンのメンテナンスにおける部品の3Dプリント再生は、3Dプリント技術と再生技術を組み合わせたものです。成都航利（グループ）工業有限公司は、3Dプリント再生の概念を最初に提案しました。航空機エンジン部品の3Dプリント再生とは、3Dプリント技術を重要な手段として使用する再生を指します。 3Dプリントの再製造には、主にコーティング除去技術、洗浄技術などの前処理工程における再製造前処理技術が含まれるため、プロセス全体は3Dプリント製造よりも複雑です。

航空機エンジン部品の 3D プリント製造技術は、事前再製造技術が含まれていないことを除いて、3D プリント再製造と同じです。図1からわかるように、一般的な一般金属製品と比較して、航空機エンジン部品の3Dプリント技術の性能評価技術は複雑で、評価サイクルも長いため、航空機エンジンのメンテナンスに3Dプリント技術を適用する難易度が高くなります。

3 高圧タービンブレードのメンテナンスにおける 3D プリント再生技術の応用<br /> ある種の航空機エンジン高圧タービンの作動ブレードは、方向性凝固ニッケル基高温合金を使用した精密鋳造で作られています。 1回のオーバーホール後、高圧タービン作動ブレードの先端は運転中に著しく摩耗し、一部の先端はボスまで摩耗していました。平均摩耗は0.6〜0.7mmで、ブレードの43％がボスまで摩耗していました。高圧タービンブレードは、外輪にプラズマ溶射によって形成された 3 層の NiCrAlY シーリングコーティングと連動して機能します。 NiCrAlYシールコーティングの下層と中層には真空熱処理用の高温酸化防止ろう材が添加され、表面層には多孔度を高めるためにポリスチレン樹脂が添加されているため、コーティングの摩耗性は良好です。ただし、コーティングの硬度は高い（HR45Y=55〜75）ため、運転中にタービンブレードの先端がシールコーティングによって摩耗しやすくなります。

分析の結果、高圧タービンブレードの先端の摩耗は主に酸化とガス腐食によって引き起こされることがわかりました。ブレードは方向性凝固組織であり、従来のアルゴンアーク溶接、ろう付けなどの技術では方向性組織修復を実現することは困難です。ブレード先端の摩耗破損と複雑な表面の特性を考慮して、レーザーネット成形技術（LENS）を使用して、高圧タービンブレードの3Dプリント再製造を実行します。再製造後のブレード延長構造は配向結晶であり、長期テストと評価を経て、航空機エンジンのオーバーホールサイクル要件を満たしています。

金属製品の3Dプリント技術の継続的な成熟と航空機エンジン部品の3Dプリント技術システムの継続的な発展により、3Dプリント技術は、航空機エンジンのメンテナンスにおけるスペアパーツ調達問題の解決、航空機エンジン部品の再製造能力の向上、戦場での緊急修理においてかけがえのない役割を果たすようになります。

著者: Guo Shuangquan、Luo Kuilin、Liu Rui、Xiang Qiao、He Yong (成都航利（集団）工業有限公司)
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