航空宇宙部品向けの新しいセンサーベースの積層造形にヒントを得たツールコンセプト

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

ナバラ公立大学とスペインのバスク研究技術同盟（BRTA）の研究者らは、センサーベースの積層造形に基づく航空宇宙部品の新しいヒューリスティックツールコンセプトの研究について報告した。関連研究は、「航空部品向けの新しいセンサー付き積層造形ベースの啓発型ツールコンセプト」というタイトルで Scientific Reports に掲載されました。

本稿では、積層造形をベースにした軽量ツールのコンセプトを紹介し、航空宇宙部品の固定および製造プロセス中にリアルタイムで監視および制御するための高度なツールシステムを開発し、センサーを設置することを目指しています。金型製造に付加製造技術を活用すると、製造の柔軟性と材料の使用の面でメリットが得られます。これらのコンセプトにより、従来のツールシステムがプロアクティブでスマートなツールに変わり、製造プロセスと部品の品質が向上します。統合センサーは変位、湿度、温度などの変数を測定し、データを分析し、精度誤差、達成許容値、表面仕上げなどのプロセス品質変数と相関させることができます。

センサーの統合に加えて、コンポーネントの製造には、指向性エネルギーアーク溶融堆積 (DED-arc) 積層造形技術が選択されました。研究には、指向性エネルギーアークによって製造された後の材料の機械的特性と微細構造が含まれていました。「積層造形のための設計」の原則は、DED-arc の機能を効果的に活用するための設計プロセスをガイドします。これらのセンサーを搭載した砲塔は、航空部品の変形および製造プロセス中に砲塔の変形をリアルタイムで監視および制御できます。最初のステップでは、指定された許容範囲 ±0.15 内で変形モニタリングを実行し、砲塔内の制御ポイントを確立します。センサーデータの将来の分析は、プロセス品質変数との相関関係を確立するのに役立ちます。注目すべきは、DED 技術を適用した後の最適化された砲塔の重量はわずか 2.2 kg で、元の 6 kg バージョンよりもはるかに軽量であることです。付加製造と、センサーと組み合わせた軽量構造を使用した固定具の構築により、効果的な情報と制御が提供され、プロセス効率と部品の品質が向上します。この研究は、航空用途向けのスマートで効率的なツールシステムの開発に役立つ可能性があります。
図 1. 航空機部品を固定するための固定具タレットの位置。(a) CAD の例、(b) 以前の固定具ソリューションと新しく提案されたソリューション。
図2 固定タレットのプロセス設計の最適化。
図3 DED技術を使用して製造されたアルミニウム合金単層マクロ構造。

図4 寸法と制限: (a) タレットの基本寸法、軸力、アンカー制限、FEA の基準面 (b) 引張および圧縮検証テスト中のタレット。
図5 砲塔の付加製造：(a) 支柱の製造開始、(b) 砲尾ブロックの製造開始、(c) 天板製造の最終ステップ、(d) DED によって並行して製造されたブランク。

図 6 0°方向でテストするためにテストベンチに取り付けられたコンポーネント。
図 7 フレームの設計とモデリングに関する情報: (a) アルミニウムプロファイルフレームの予備図、(b) 補強材とアンカーを追加した簡略モデル、(c) フレームで使用されているプロファイルの比較、(d) アルミニウムプロファイルの有限要素モデル。
図 8 重力と荷重による制御点の変位: (a) 初期モデル、(b) モデル b の下部にある 2 つのサポート、(c) モデル c の上部にある補強材、(d) モデル d におけるソリューション b と c の組み合わせ。
図9 重力と荷重下での制御点の変位: (a) 初期モデル、(b) モデルbの下部にある2つのサポート、(c) モデルcの上部にある補強材、(d) モデルdのbとcの組み合わせ。
図 10 クラウドベースのソフトウェアアプリケーションのスクリーンショット。 (a) コントロールパネル画面と (b) データ画面。

この論文では、航空部品のセンサー金型における積層造形設計 (DfAM) の応用について研究します。 DfAM には、積層造形プロセスとテクノロジーに関する包括的な理解が必要です。各 AM テクノロジには独自の機能と制限があるため、効果的な設計戦略を確保するには、選択したアプローチを深く理解することが不可欠です。機械的特性や微細構造の完全性を含む材料の詳細な特性評価は、積層造形技術の重要な要素です。これを理解することで、設計者は適切な選択を行い、積層造形向けの設計を最適化できるようになります。同時に、層ごとの成長に至るまで AM パラメータを慎重に検討することが重要です。適切な層パスを選択すると、堆積が確実に成功し、好ましい製造結果が促進されます。

DfAM は積層造形技術の独自の機能を最大限に活用し、設計者がその利点を活用してデザインを強化したり、重量を軽減したりできるようにします。付加製造の固有の利点を活用することで、従来の製造経路では不可能な方法で設計を最適化できます。特に、DfAM プロセスは、理想的な部品構造を確保するための重要な製造テストと同時に実行されます。積層造形に対する理解を深めることで、設計者は適切なテスト手順と評価ベンチマークを選択できます。この反復プロセスにより、設計と製造のパラメータが微調整され、最終的に高品質で機能的な部品が完成します。

この研究では、タレット構造を製造するためのガスメタルアーク溶接 (GMAW) に基づく DED アーク技術に焦点を当て、その多面的な複雑さを明らかにしています。材料としてのアルミニウム合金が製造工程を支えています。センサーを設置すると、正しい判断を下すためのデータがリアルタイムで提供され、航空分野でのコンポーネントの正しい配置に役立ちます。材料特性評価により、一貫した機械的特性が明らかになり、合金が意図した用途に適したものとなりました。

さらに、研究は航空宇宙部品の固定具にインテリジェンスを統合することにまで及びます。提案された方法は、従来の剛性フレームを軽量アルミニウムプロファイルに置き換え、有限要素モデリングに基づいています。器具にセンサーを設置すると監視機能が強化され、リアルタイムのデータ収集、オペレーターの支援、履歴分析が可能になります。この研究では、センサーネットワークとクラウドベースのソフトウェアがリアルタイムのデータ収集、パラメータの視覚化、システム監視をどのように促進できるかを実証しました。

最終的に、この総合的なアプローチは、DfAM 手法を進歩させるだけでなく、積層造形と航空宇宙部品製造の分野における技術、設計、材料、プロセス最適化間の複雑な相互作用を実証します。

論文リンク:
Uralde, V., Veiga, F., Suarez, A. et al. 航空部品向けの新しいセンサー付き積層造形ベースのエンライトツールコンセプト。Sci Rep 14, 17692 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-68786-w

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