【分析】航空機エンジンへの3Dプリント技術の応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-5-4 16:45 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。 2012年2月、オーストラリア政府は航空宇宙分野における革新的なプロジェクト「マイクロエンジン積層造形技術」への支援を発表しました。 2012 年 9 月、英国技術戦略委員会の特別専門家グループも、「付加製造における国家能力の形成」と題する特別報告書の中で、付加製造技術の主な応用分野として航空宇宙を挙げました。

1 積層造形技術の利点<br /> 3Dプリント製造技術を例に挙げると、情報技術と製造技術の高度な融合として、3Dプリントは、高性能な複雑な構造の金属部品の金型フリー、迅速、完全高密度、ニアネット成形を実現できます。特に、レーザー立体成形で成形および修復された部品の機械的特性は鍛造品と同等であり、航空エンジンやガスタービンの分野における技術的課題に対応する最良の新しい技術的アプローチとなっています。従来の製造技術と比較して、3D プリント技術には次の 10 の潜在的な利点があります。

（１）製造コストを削減する。従来の製造方法では、製品の形状が複雑になるほど、製造コストが高くなります。 3D プリントは、製品形状の複雑さが増しても、時間やコストが余計にかかることはありません。性能を追求した航空機エンジン用の複雑な形状の部品を大量に製造する場合、3D プリントには間違いなく利点があります。
（２）製品の多様化に適している。航空機エンジン自体は「テスト済み」の製品であり、開発プロセスでは設計変更を繰り返し行う必要があります。従来、改良のたびに金型の変更が必要になり、製造コストが増加していました。3D プリントでは、製品の形状の変化に対応するために金型を変更する必要がありません。
（３）組み立てを最小限に抑え、重量を軽減する。 3D プリンティングでは、トポロジー最適化設計を通じて、組み合わせた部品を印刷し、製品の組み立てを減らし、製品の重量を減らすことができます。
（４）即日配送。 3D プリンティングはオンデマンドで印刷できるため、航空機エンジンの一部の長周期部品の試作サイクルを大幅に短縮できます。

（５）設計空間を拡大する。従来の製造方法の制限により、製品はプロセスの実現可能性に基づいてのみ設計できます。たとえば、航空機エンジンのタービンブレードのエアモールド穴の形状は円形のみです。 3D プリントでは、冷却効果の要件に応じて、タービンブレードの空気成形穴を楕円形やその他の任意の形状に設計できます。
（６）スキル要件の引き下げ従来、多くの航空機エンジン部品の製造にはオペレーターのスキルに対する要求が高く、個々の部品を 1 人または数人しか製造できない状況もありました。 3D プリントは設計ファイルからさまざまな指示を取得し、同様に複雑な製品を製造します。3D プリンターに必要な操作スキルは、従来の鋳造よりもはるかに低くなります。
（７）ポータブル製造従来の鋳造や鍛造では、一般的に設備よりも小さい製品しか生産できません。 3D プリンターのデバッグが完了すると、印刷デバイスは自由に移動できるようになり、デバイス自体よりも大きな製品を製造できるようになります。
（８）無駄を減らす。従来の減算型製造とは対照的に、3Dプリント製造は付加型製造です。航空機エンジンやガスタービンで使用される従来の大量の金属加工では、加工中に大量の原材料が廃棄されますが、3Dプリントの「ネットフォーミング」により、金属製造廃棄物の量が大幅に削減されます。
（９）材料の組み合わせ従来の航空機エンジンやガスタービンの製造方法では、異なる材料（鋳造、鍛造など）を組み合わせて 1 つの製品にすることは非常に困難です。3D プリントは、異なる原材料を融合する機能を備えています。
（10）正確な物理的複製。デジタルファイルのコピーと同様に、3Dプリンティングは将来的にデジタルコピーを物理的な分野に拡張し、遠隔地での部品コピーを実現するでしょう。

2 申請状況
2.1 直接製造エリア<br /> 金属部品の直接積層造形の技術的概念は、1979年に米国のユナイテッド・テクノロジーズ・リサーチ・センター（UTRC）によって初めて提案され、航空機エンジンのタービンディスクの製造に応用されました[2]。 1994年、世界3大航空機エンジンメーカーのひとつであるロールス・ロイス社は、英国のクランクフィールド大学と協力し、航空機エンジンケースのレーザー立体成形（LSF）製造技術の研究に取り組みました。ボーイング社は2000年に、LSF技術を用いて製造された3種類のチタン合金部品がF-22およびF/A-18E/F機に使用されていることを初めて発表し、2001年にはLSF技術の米国国家規格を策定し（この規格は2011年に改訂）、世界で初めて金属部品の直接積層造形の波を起こしました。

2005年、西北工科大学はLSF技術と鋳造技術を組み合わせてレーザー複合製造技術を確立し、航空機エンジンのIn961+GH4169合金複合軸受のリアケーシングの製造問題を解決し[4]、新しいエンジン開発が時間どおりに設置されテストされることを保証しました。近年、金属直接積層造形技術の成熟度が徐々に向上し、特に金属直接積層造形装置の実用化が進むにつれて、航空機エンジン部品の成形・製造における金属直接積層造形技術の利用が、国内外の航空機エンジン企業や研究機関の注目を集めるようになりました。図 1 は、EOS が製造する選択的レーザー溶融 (SLM) 装置の航空機エンジン部品の製造における応用可能性を示しています。

イタリアのAvio社は、スウェーデンのArcam社製の電子ビーム溶解装置（EBM）を使用して、TiAl低圧タービンブレードを製造しています。ドイツのMTU Aero Engines社は、LSF技術を航空機エンジン部品の修理に適用するほか、最近、SLM技術を使用して直接製造された航空機エンジン用の小型コンプレッサーステーターのテストを開始しました。ロールス・ロイス・エアロ・エンジンズ社は、先進的な航空機エンジン用の軽量部品を直接製造するために、金属直接積層造形技術の使用も検討している。プラット・アンド・ホイットニーは、MTU エアロエンジンズを活用し、図 2 に示すように、PurePower PW1100G-JM 航空機エンジン部品を直接製造するための SLM 技術のテストも実施しています。

現在、米国GEは300台以上の各種金属直接積層造形装置を保有しており、航空機エンジン用金属部品の直接積層造形では世界の最先端を走っています。最近、米国GEは、高級航空機エンジン部品の直接製造の需要に基づき、米国Morris社とイタリアAvio社の買収を通じて、航空機エンジン部品のSLMおよびEBM製造研究と関連試験に注力している。米国のモリス社は、SLM 技術を使用して多数の航空機エンジン部品を生産しており、図 3 に示すように、すでに 20 台を超える最先端の SLM 装置を保有しています。 GE は 2013 年末、次世代の GE Leap エンジン用インジェクターの製造に SLM 技術を使用し、年間生産量を 40,000 個にすると発表しました。 GE は、SLM 技術を使用してノズルを製造すると、製造サイクルが 2/3 短縮され、製造コストが 50% 削減され、信頼性が大幅に向上することを発見しました。

2.2 添加剤による修復分野<br /> 航空機エンジンの過酷な作業環境により、部品製造に対する要求は非常に高くなっています。長い間、金属直接積層造形は航空機エンジン部品の修理に重点が置かれてきました。 LSF 技術の商業化に取り組む米国企業である Optomec Design は、図 4 に示すように、LSF 技術を米国海軍の T700 航空機エンジン部品の摩耗修理に適用し、故障した部品の迅速かつ低コストな再製造を実現しました。ドイツのMTUとハノーバーレーザー研究センターは、タービンブレードのクラウングループ内部のハードコーティングや形状修復にLSF技術を使用しています。
ドイツのフラウンホーファー研究所は、チタン合金および高温合金航空エンジンの損傷した部品の修理と再生における LSF 技術の応用に重点を置いていました。英国のロールス・ロイス・エアロ・エンジンズは、タービンエンジン部品の修理に LSF 技術を使用しています。スイスのEPFLのW. Kurz教授の研究グループは、LSF技術を使用して高温合金単結晶ブレードを修復しました。中国では、西北工業大学がLSF技術に基づくレーザー成形修理の体系的な研究と応用を行っており、レーザー成形修理プロセスとエンジン部品の組織性能制御の統合技術について比較的体系的な研究を行っており、図5に示すように、小型、中型、大型の航空機エンジンのケーシング、ブレード、ブリスク、オイルパイプなどの重要なキーパーツの修理に広く使用されています。

3 応募の見通し
GEはGRABCAD協会を通じて、金属直接積層造形技術に基づくチタン合金エンジンブラケットの再設計コンペを開催しました。56か国のデザイン愛好家から合計697件の応募がありました。優勝したデザインでは、ブラケットの重量が元の設計の2.033kgから327gに削減され、84%の軽量化が実現しました。粉末床ベースの SLM 技術を使用すると、部品製造時に小さな穴が発生するのを避けるのが難しく、疲労性能が低下するため、GE では SLM 技術で製造された部品は主に特殊形状のパイプや鋳物の製造に使用されています。この目的のために、GE は、高性能で高密度の航空機エンジン部品を製造するために、同期材料供給技術に基づく LSF 技術の使用も検討しています。

図6は、ノースウェスタン工科大学のLSF技術に基づいてGEが製造したGE 90エンジン複合材ワイドコードファンブレードのチタン合金入口エッジと高温合金ケーシングを示しています。そのうち、チタン合金の吸気側の長さは1000mm、壁の厚さは0.8〜1.2mm、最終加工変形はわずか0.12mmで、GEのテストに合格しました。図7は、GEが金属直接積層造形部品を航空機エンジンのさまざまな部品に適用する予定であることを示す概略図です。 GEは、直接金属積層造形法で製造された部品が将来、航空機エンジン部品の50%を占めるようになると予想しており、同社が開発する大型航空機エンジン1基あたりの重量は少なくとも454kg削減される。

金属直接積層造形技術は、航空機エンジン部品の製造において重要な応用可能性と幅広い応用展望を示しています。しかし、技術原理と製造コストに基づいて、あらゆる加工技術には独自の対応する部品構造特性があり、航空機エンジン部品の製造でも同様です。金属直接積層造形技術の成形精度、効率、コスト特性に基づくこの技術は、エンジンの軽量化要件のある複雑な部品、特に内部オイル回路やパイプラインを備えた部品、複雑なフランジやボスを備えた部品、複雑な翼を備えた部品、閉じたまたは開いたハニカム構造を備えた部品、および統合された特殊形状の通路を備えた部品の製造に非常に適しています。

編集者: Antarctic Bear 著者: Wang Qiang (AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd.)、Sun Yue (上海市経済情報化委員会)

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