【詳細解説】航空機製造における3Dプリントの利点と限界

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-6-14 13:05 に最後に編集されました。

3Dプリンティング技術は1970年代後半に登場し始め、主に製品開発段階の「ラピッドプロトタイピング」や生産段階の「ラピッドマニュファクチャリング」に使用されています。 3D プリント技術は、かつて工業生産で使用されていたクラッディングプロセス方法に似ています。3D プリントと呼ばれる理由は、成形プロセスで CAD とコンピューターの 3D モデルデータを使用し、さまざまな融合方法を通じて 2 次元の基板を 3 次元構造に結合するためです。航空機製造で使用される主なプロセス方法には、レーザーニアネットシェーピング技術 (LENS)、レーザー選択溶融技術 (SLM)、電子ビーム選択溶融技術 (EBSM) などがあります。
△世界初のジェット推進式3Dプリントドローン 3Dプリントされた複合フレーム型構造ブランクの軽量化効果は明らかです。例えば、F-22の最大面積の鍛造構造フレームのブランク重量は2,790kgで、ブランク加工後の正味重量はわずか144kgで、材料除去率は95％に達します。検証されたプロセス要件に従って円盤状の複雑な構造部品を製造する場合、鍛造プロセスでは詳細な構造を直接生成することができず、材料利用率はブランク重量の約 10% にすぎません。鋳造により、一部の細部の大まかな成形を完了することができ、ブランクの実際の利用率は総重量の 20% ～ 25% に達することがあります。 3Dプリントは完成品に近い外観を直接作り出すことができ、表面処理技術と材料品質の要件を考慮すると、完成部品はブランクの総重量の60％〜70％に達することができ、材料利用率と加工効率が大幅に向上します。

一方、鋳造金型のリサイクル効果は優れており、完成したコア金型はバッチブランクの製造に使用できます。鍛造金型のコストは非常に高く、プロセス設備の基準も高いですが、鍛造はバッチ生産ブランクの成形にも役立ちます。 3D プリントは積層造形技術を使用します。1 個だけ製造する場合でも、100 個を一括製造する場合でも、1 個あたりの製造時間とコストは同じです。部品の成形プロセス要件と品質管理はより厳格になります。

3D プリントと他のビレット製造方法の比較<br /> 現在、3Dプリント技術の航空分野への応用は主に金属構造に集中しており、主に成形や加工が難しいチタン合金や合金鋼が使われていますが、加工がそれほど難しくないアルミニウム材料は鍛造や鋳造に適しています。 3Dプリント航空部品の応用はかなり広まっています。海外で使用されているF-22用の3D成形TC4ジョイントは、設計上の疲労寿命の2倍に達しています。F/A-18の翼根ハンガーの構造強度は設計要件の225％に達し、疲労寿命も設計要件の4倍に達しています。C-17などのモデルの空気取り入れ口アクセサリーも3Dプリントを一括で使用し始めており、一部の3Dプリント部品はすでに既存モデルの製造において板金や精密鋳造品に取って代わっています。

中国は航空機の3Dプリントで大きな成果を上げています。いくつかのモデルに3Dプリントされた耐荷重構造が採用され、製造サイクルが短縮され、プロセスが簡素化されました。また、製品の軽量化にも大きな効果がありました。宣伝資料では、40%の軽量化が謳われています。国内のミリタリーファンの多くは、この40％などの記述だけを根拠に、航空機構造物の軽量化に大きな期待を寄せている。この40％は理論的には可能だが、非常に厳しい条件と適用制限が課せられる。

SLM製品は寸法精度が高いですが、成形構造の密度制御が悪く、高荷重の構造的影響に耐えることが困難です。LENSは主に耐荷重構造の3Dプリントに使用されます。公開されている3Dプリントされたフレームブランク全体の外観比較によると、3Dプリントされたブランクの重量は鍛造部品の約15％にすぎません。これは3Dプリントの技術的な利点ですが、ブランクの軽量化率は最終製品の重量比較を表すものではありません。航空機の全体的な構造フレームの設計では、軽量、頑丈、プロセスの一貫性、完成品の機械的/物理的および化学的特性を考慮する必要があります。構造設計は標準化の要件を厳密に満たす必要があり、異なるモデルの同様の構造の設計に大きな違いはありません。

展示会で展示された3Dプリント耐荷重フレーム製品の構造設計は、鍛造フレームと変わりません。唯一の違いは、ブランク成形のプロセスです。 3DプリントのLENSとSLMプロセスは比較的成熟しており、エネルギー源としてレーザーを使用するか電子ビームを使用するか、基板として粉末を使用するかワイヤを使用するかに関係なく、処理方法の違いにより材料自体の物理的および化学的条件は変化しません。既存の技術によると、ニアネットシェイプ焼結材料の理論密度は鍛造よりも約1％低くなります。選択溶融によって形成された粉末材料の密度は比較的小さく、鍛造との密度差も3％以内です。プロセス条件が良好であればあるほど、材料密度の差は小さくなります。

3D 成形方法に関係なく、同じ部品の材料特性に大きな違いがなければ、完成した部品の重量に大きな違いはありません。そのため、3Dプリントブランク加工方法によって達成される軽量化効果は非常に限られています。3Dプリントの材料性能はまだ完璧ではなく、成熟した鍛造構造と比較して、許容範囲の保証設計が多いことを考慮すると、同じ設計の構造部品の正味重量はさらに重くなる可能性があります。

公開されているデータによると、3Dプリントされたチタン合金部品の完成品は、引張強度と硬度の点で鍛造品の基準に達していますが、疲労寿命と亀裂許容度はプロセスに大きく影響され、今後かなりの期間、鍛造を完全に置き換える条件が不足しています。アメリカの航空機製造では一体鍛造フレームが広く使用されており、完成品の寿命や品質管理の難しさなどの要因により、高リスクの3Dプリントの応用は十分に活発ではありません。中国は、新型機械の製造において、耐荷重構造に3Dプリントを適用しているが、大規模製造製品のバッチ生産要件を3Dプリントでは満たせないため、大型鍛造プレスの開発にも多額の資金と技術資源を投資している。 3Dプリントと鍛造/鋳造はそれぞれ独自の利点を持っていますが、航空機の設計と生産システムが依然として伝統的な工業技術に基づいている限り、鍛造/鋳造と圧延は依然として主要なプロセス成形方法であり、3Dプリントの構造軽量化効果を反映することは困難です。

製造技術の革新による軽量化対策 軽量化基準によると、3Dプリントと鍛造の密度差は1％未満です。欠陥を回避し、材料特性を向上させるという目標を達成するには、密度差をできるだけ小さくする必要があります。実際の生産条件と比較すると、単純なフレームの重量が300kgに近い場合、金型鍛造ブランクの重量は約2,700kgです。3Dプリントされたフレームブランクの重量は500kg近くまで減らすことができますが、完成品の重量と鍛造重量の理論的な差は1kg未満であり、これは全体の加工の寸法誤差換算値よりわずかに大きいだけです。そのため、完成品の重量という最終指標と比較すると、3D プリントによる軽量化効果はほとんど無視できるほどです。

では、宣伝資料にある 40% の減量という主張はどこから来ているのでしょうか?これを航空機構造技術の観点から説明する必要があります。現代の航空機製造における完成した金属構造は複雑になるほど、加工が難しくなります。多くの複合曲面構造も CNC 装置で加工する必要があります。第3世代以降の先進的な戦闘機は、翼胴融合空力設計を採用しており、機体の構造強度と設計性能が大幅に向上しています。この設計は実際には 1930 年代に存在していましたが、ジェット戦闘機への応用の初期には使用されていませんでした。融合構造フレームには連続した曲面が多数あり、これらの曲面を製造するプロセスは非常に難しく、角度制御と面連続性加工技術が高く、通常の加工設備に頼って大量生産することは困難です。 1970 年代に CNC 装置が広く使用されるようになってから、3 軸 CNC 工作機械が表面加工の手段となり、航空機では空力設計を改善するために構造表面をより多く利用するようになりました。
△3Dプリントされたドローンを横から見ると、角度が変化する連続した曲面により、必然的に半密閉空間が形成されます。設計者は、ボディ構造を設計する際に、機械加工性の要素を考慮する必要があります。半密閉型または密閉型の複雑な構造は、全体として形成および処理するのが難しく、構造の外観とプロセスの要件を満たすために、アセンブリを使用して複数の独立した機械加工可能な部品に分解する必要があります。アセンブリの問題点は、各パーツが独立した強度要件を満たす必要があり、構造部品やトラスなどの構造体も独立した耐荷重能力の厚さを確保する必要があることです。リベットやネジ留めで部品を組み立てる場合、標準部品の締結位置の穴強度も部品強度より高くなければなりません。壁厚 2 mm の L 字型プロファイルをボルトで固定する場合、各ボルト穴位置の厚さは平均厚さを超える必要があります。リベットを使用する場合は、複数のリベット穴を均等に分散させる必要があります。

部品を組み合わせると、部品の構造重量が増加する必要があり、標準部品を組み合わせると全体の重量も増加します。一部の小型で複雑な軽金属構造では、組み合わせた標準部品の重量が部品自体の重量よりもさらに高くなります。技術的手段によってアセンブリを直接形成できれば、統合構造により大幅な軽量化効果が得られます。

たとえば、2 つのアセンブリの接合壁パネルの厚さが 2 mm の場合、一体成形後の壁パネル全体に必要な厚さは 3 mm 未満になり、リベット構造の必要性がなくなるため、重量を大幅に削減できます。米国はF-16戦闘機の改良設計において、機体前部構造の改良に精密鋳造を採用し、リベット接合部分を一体型アルミ合金鋳物に置き換え、置き換えた精密鋳造部分の総重量を11キログラム以上から4.7キログラムにまで軽量化した。金属材料の代わりに複合材料を使用すると、複合壁パネルの単体構造の重量はアルミニウム合金よりも高くなりますが、トラスと一体構造として接合された複合壁パネルは、アセンブリの独立したトラスと固定リベットを排除できるため、金属を組み合わせた構造に比べて総重量が約30％軽減されます。

3Dプリントが直接反映する軽量化の利点は、主に複雑な密閉/半密閉部品をプリントアウトし、複数の部品で構成されたアセンブリを直接置き換えることです。部品の重量を大幅に軽減でき、部品を固定するリベットやボルトの数も減らすことができます。これは、軽量化のための3Dプリントの最も直接的な応用方法です。航空機構造の統合と軽量化が最も効果的な対策です。航空システムは、特に複合材料が航空構造部品に適用されて以来、構造の統合化を長い間目指してきました。金属アセンブリと比較して、曲面補強壁パネルの全体構造は、軽量化と部品点数の削減において顕著な利点を示しています。複合材料技術は急速に発展しており、現在では全複合材料で作られた航空機もあります。しかし、複合材料はコストが高く、加工が難しいという問題があるだけでなく、大型部品の製造はメンテナンスや修理も難しいため、大型航空機構造部品における複合材料の適用範囲は限られています。現代の複合材料は、構造部品の金属材料をまだ置き換えることはできません。3D プリントは、柔軟性の高い成形方法を通じて、金属とさまざまな金属/非金属複合構造の統合に役立ち、複合材料とともに軽量の航空構造を形成します。

3D プリントは、構造物の製造における重量を軽減できるだけでなく、軽量化と完成品の設置およびシステムレイアウトの改善にも役立ちます。完成した空中取り付けブラケットや動作装置の支持構造は複雑であり、耐荷重構造ではないため、3D プリントによる製造に非常に適しています。一般的に使用されている組み立て部品を 3D 一体型部品に置き換え、寸法精度の高い選択溶融法を使用して一体成形すると、構造の一貫性や、ロード、アンロード、更新の利便性が向上します。

航空機には多種類の液体・ガス管が広く分布しており、配管の経路は構造部品や完成品を避ける必要があります。航空機内に長い直線配管を設置することはできません。空中液体およびガスパイプラインには、大きな曲率のコーナーが多数あります。曲げた際のパイプラインの機械的特性を確保するには、小さな半径の曲げによって生じる応力集中を排除するために、大きな角度でステアリングジョイントを使用する必要があります。このため、パイプライン敷設中に多数のプロセスジョイントを使用する必要があります。従来の機械的なパイプ曲げ、フレア加工、ジョイント固定を置き換え、設置と交換の利便性を確保しながら一体型パイプ曲げを 3D プリントすることができれば、パイプ曲げのサイズ要件を確保しながら、パイプライン部品の数を減らし、機械性能を向上させることができます。ジョイントをなくすことで、漏れ検査やメンテナンスに必要なインターフェースの数も削減でき、一体型の滑らかな内壁により、パイプライン内の液体とガスの流れも最適化されます。

複合材料の3Dプリントサポート
3D プリントは金属や非金属材料だけでなく、炭素繊維などの複合材料の製造にも使用できます。

現代の航空複合材料は、主にワイヤーの敷設、巻き取り、樹脂の硬化によって作られています。複合材料線材はテープ敷設法で積層して製造されるため、複合材料の多くは平均厚みの平らな構造になっており、組み立てられた部品は接着や標準部品で固定されています。 3Dプリント技術を複合材料製造に応用すれば、ワイヤーの積層や樹脂充填を平面から立体に展開することができ、複雑な複合構造部品を一体成形できるようになり、部品の接着や共硬化などの後続工程が不要になり、複合部品全体の製造サイクルが短縮され、複合加工工程の制御における工程欠陥の発生を回避できます。 3Dプリントは複雑な3次元グリッド構造を生成でき、各グリッドの空間寸法は高度に一貫性があります。グリッド構造は独立した航空部品としては適していませんが、航空複合構造部品のベース材料になることができます。

△3Dプリントドローンの翼構造のクローズアップ。グリッド構造基板と複合繊維を組み合わせ、樹脂を使用して金属/セラミックと複合材料を固化/焼結することで、強度、曲面形状、設置の組み合わせの要件をより適切にバランスさせることができます。高性能航空機エンジンの全複合材ブレードを金属ブリスクと組み合わせる場合、材料の異なる機械的特性と熱的特性によりプロセスに高い要求が課され、設計と構築も非常に困難になります。 3Dプリント技術を使用して金属ベースの材料と複合材料を組み合わせてブレードを製造すれば、金属ブレードの根元とディスク本体の材料の性能が一致し、エンジンブレードディスクの組み立ての難しさが大幅に軽減されます。また、エンジンの改良において全金属ブレードを直接交換することも有益であり、エンジン全体の軽量化に非常に大きな改良の余地を提供します。

3Dプリントの応用上の限界
3Dプリントは、航空製品の職人技と製造レベルを効果的に向上させることができ、構造の軽量化を通じて航空機の性能を向上させる大きな可能性を秘めています。しかし、実際の応用で直面する技術的な制限も非常に明白であり、航空機製造分野における3Dプリントの応用範囲を直接制限しています。 3Dプリントの一体製造により軽量化効果が得られるので、航空機の大きな部品も3Dプリントできないでしょうか？大型航空機部品をフル3Dプリントする技術的難易度はそれほど高くなく、現在、海外では長さ5メートル以上、直径1.2メートルの長方形フレームの3D一体成形や、航空機前部胴体のフレームの一体製造を実現しており、加工技術に問題はありません。理論的には、構造材料が同じであれば、大きな部品を全体的に印刷することは難しくありません。選択された領域の溶融成形部品の表面粗さは比較的高いため、基本的に板金アセンブリの交換のプロセス要件を満たすことができます。問題は、今日の航空機の構造はサイズ要件を満たすだけでなく、航空機の使用とメンテナンスのあらゆる側面も満たす必要があることです。

現代の戦闘機の機内装備は機体全体に分散しており、飛行制御、燃料、電力システムの導管やケーブルも広範囲に分散しています。機体全体の機器や配管は頻繁にメンテナンスが必要であり、そのためには機体表面の対応する検査カバーを開ける必要があります。先進的な戦闘機の表面開放率は 60% を超えることもあります。内部構造により機器の点検口を避ける必要があり、また、車体構造には故障部品の交換に必要な作業スペースを確保しておく必要があります。胴体構造の大きな部品が一体化されている場合、現場のメンテナンス条件では分解できない内部の完成機器やダクトなどの部品をロスなく更新することは困難です。

内部の装備を分解・組み立てると、完成品とダクトの間に追加されたジョイントやアセンブリによって構造統合の利点が大きく損なわれ、現場での保守・検査の難易度が高まり、機体の完全性が悪化し、軍用機の使用中の改造や改良に役立たなくなります。現代の軍用機は頻繁に改良されており、例えばアメリカ海軍の退役した艦載戦闘機F-14は、機体製造の過程でさまざまな装備や構造の調整が行われており、結局、全く同じ構造や完成品の機体は2機とほとんど存在しません。 3Dプリントされた大型部品が直接組み立て部品を置き換えることができる場合、現在の多くの改良措置は実際には適用できないか、改良中に構造を大規模に交換する必要があります。時間と資金の消費は、航空機の改造の費用対効果を直接制限します。

実際、航空機の機能と装備が単純であればあるほど、統合は実現しやすくなります。航空機の装備と機能が複雑であればあるほど、構造の拡張性と包括性に対する要求が高くなり、大規模な統合構造を採用する難しさとライフサイクルコストが高くなります。メンテナンスの難しさは、大規模統合構造を制限する難しさであり、航空機自体の使用特性が全体の構造の適用範囲にさらに影響を及ぼします。現代のジェット戦闘機の飛行速度はM1.5に達します。地上に駐機しているときの最低気温は-50℃に達することがあります。飛行中の着氷などの低温環境の影響もありますが、高速飛行時の停滞温度は100℃を超えることもあります。M2以上の速度での停滞温度は200℃に達することもあります。機体表面と構造も高速飛行の速度圧力に耐えなければなりません。

同時に、機内の機器室や配管の温度と圧力を制御する必要があり、エンジン部には高温領域があるため、機体構造と外板は高温/低温や圧力変化の影響に繰り返し耐える必要があります。航空機に金属材料を使用する場合、材料や構造によって膨張係数が異なり、使用環境によって構造にさまざまな応力状態が生じます。固定構造全体は、これらの応力を集中的に受けることになります。大規模な全体構造では、さまざまな要因の影響をバランスよく受けることが難しく、応力集中と伝導により破損や亀裂が生じやすくなります。構造損傷は主に部品の角や穴に集中します。アセンブリの加工や使用には課題があるものの、アセンブリ自体は応力を分解する分散構造であり、航空機使用の厳しい環境要件に耐えられる可能性が高く、構造変形や亀裂が発生した場合に損傷した部品を交換するのにも便利です。これも、大型の3Dプリント部品では交換が難しい技術的な利点です。

3Dプリント大型部品の応用展望
3D プリントは、航空機設計者が、組み立てを最大化し、組み立て量を最小限に抑えるという切望する経済的目標を達成するのをサポートします。 3Dプリンティング技術により一体型部品を製造することで、整備性や構造上許容される部品を一体化することが可能となり、部品点数や組立工程で発生する重量を大幅に削減し、航空機の設計・組立の難易度を大幅に低減します。現在、国内外での3Dプリントの応用範囲はまだ大きくなく、主に複雑な部品のラピッドプロトタイピングと小ロット製造に集中しています。しかし、鋳造が航空機器の軽量化に及ぼす影響に基づき、設計と応用のいくつかの重要なポイントが突破されれば、統合型3Dプリントアプリケーションの発展は避けられない流れになるでしょう。
△3Dプリント技術の応用が成熟するにつれて、3Dプリントされた航空機部品にも対応するプロセスと製造仕様が生まれます。 3Dプリンティングは、大型部品の材料蓄積速度や完成品の品質・寿命管理の難しさなどを克服できれば、まずは大型の民間・軍用特殊航空機（一般的には民間航空機をプラットフォームとして利用）の製造に利用されるでしょう。大型民間航空機の利点は、構造寸法が大きく、胴体開口率が低いことです。通常、航空機の納入後に大きな構造変更は行われないため、3Dプリントされた統合型大型部品の適用に適しています。エアバスのビジョンによれば、将来の民間航空機は3Dプリントを使用して「鳥の巣」グリッド構造を採用し、胴体全体を形成し、フレームを透明部品で満たすことにより、民間旅客機は「温室」スタイルのパノラマレイアウトの胴体を持つことができ、3Dプリントがもたらす性能と使用上の利点を最大限に引き出すことができます。
海外ではすでに、完全に3Dプリントされたドローンのボディとエンジンが製造されており、3Dプリントを使用して小型でメンテナンスの少ない航空製品を製造するという目標を達成しています。外国航空会社の長期計画によれば、2050年までに航空機全体の構造を3Dプリントできるようになるという。その頃には、大型の3Dプリント部品で構成された実用的な民間の中型・大型航空機が登場するだろう。

3Dプリントアプリケーションのコストと成熟度
3D プリントはブランクの重量を軽減し、加工時間を短縮できるため、生産速度の向上とコストの削減が可能ですが、これは部品の後処理コストのみを比較したもので、生産サイクル全体の総合的なコストは考慮されていません。 3D プリントには、ベース材料として非常に微細な粉末が必要です。高細粒度・高純度の粉末材料は、金属ビレット基材に比べて製造工程や単位重量あたりのコストがはるかに高くなります。通常の民生用プラスチック部品のコストは1キログラムあたり数十元に過ぎないが、3Dプリントに使用できる同じ材料の粉末は1キログラムあたり数百元かかる。輸入された高品質の粉末のコストは数百元に達することもある。航空金属材料のブランクと粉末材料のコスト差もほぼ同じである。

実際、3Dプリント用の基板自体は、元のビレットを特殊加工して、精錬したビレットを焼結に使用できる高純度の粉末材料にする必要がありますが、この点での生産サイクルとコストは、3Dプリントを推進する際にほとんど考慮されていません。厳密に言えば、鋳造ビレットを圧延して加工することによって作られる従来の鍛造品の総合コストには、ブランク成形と機械加工のサイクルのコストだけを比較するのではなく、生産サイクル全体のコストを含める必要があります。

3Dプリントされた航空部品は10年以上前から実用化されていますが、基幹部品としての使用歴は長くなく、ライフサイクル全体にわたる実使用検証を完全に完了したモデルはありません。 3Dプリント部品のテストデータは確かに理想的ですが、何百年も受け継がれてきた従来のプロセスと比較すると、3Dプリントにはまだ十分に明確でない応用上の問題が多く、十分なデータを蓄積するには長い使用期間が必要です。 3Dプリントによる軽量化の最も直接的な手段は、構造統合を実現することです。しかし、完全な設計システムのサポートのない統合は、生産および製造段階で直接的な役割を果たすことしかできません。最長使用段階での経済的利益は検証されておらず、従来のプロセスよりも品質管理のリスクが大きくなります。 3Dプリント部品は、アプリケーションデータを蓄積するために長期間の使用が必要です。現在、設計者とユーザーは、3Dプリントのアプリケーションの範囲を拡大することに消極的です。
△3Dプリントされた超小型航空機エンジンのテスト
3D プリントは複雑な構造設計に適応でき、プロセスは鋳造/鍛造よりも簡単に実装できます。ただし、シングル 3D プリントとバッチ 3D プリントでは、生産消費量に違いはありません。対照的に、鍛造/鋳造生産では、一度金型を製造すれば繰り返し製造することができ、バッチ生産の消費量は最初の 1 個よりも大幅に低くなります。したがって、バッチ生産効率のバランスポイントを達成するには 3D 製造を使用できますが、それ以外の場合は従来の方法を使用する必要があります。現代の軍用機の通常の生産サイクルは約1年ですが、機体の寿命は30年に達し、構造寿命は1万飛行時間近くになります。この期間に直面する問題は、生産サイクルの問題よりもはるかに多く、複雑です。
3D プリントを設計検証やプロトタイプの迅速な製造に使用する場合、サイクルの短縮とコストの削減という利点は明らかです。ただし、3D プリント部品がバッチ生産モデルで広く使用される場合、生産サイクルの短縮とコスト削減のメリットがライフサイクル全体を通じてリスクとバランスが取れるかどうかはまだわかりません。 3D プリンティングは、航空機の設計と製造に影響を与える可能性のある最先端技術ですが、この技術を航空プロセスシステムに実際に統合するために必要な時間と応用研究は、現在の規模をはるかに超えています。
編集者: 南極熊著者: 江宇

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