Hindustan Aeronautics 25KN エンジンの 3D プリントされた燃焼室ケーシング

航空機エンジンには、複雑な薄壁構造が多数存在します。これらの複雑な構造を採用することで、エンジン部品の重量が軽減され、エンジンの推力重量比が向上しますが、製造技術に対する課題も増大します。複雑な構造部品の製造が 3D プリント技術の大きな利点であることはわかっています。3D プリント技術は、航空機エンジンの複雑な薄肉部品の製造に一定の価値を生み出すことができるのでしょうか?金属 3D プリント技術を使用して航空機エンジンの燃焼室ケーシングを直接製造する INTECH DMLS 社のアプリケーション事例からインスピレーションを得てみましょう。

設計、印刷、後処理から溶接までの製造工程を完備

INTECH DMLSは2012年に設立され、金属3Dプリントサービスを提供するインド企業です。INTECH DMLSを設立する前、設立チームは鋳造と機械加工の分野で25年以上の経験を積んでおり、その経験はINTECH DMLSが提供するサービスに統合されています。INTECH DMLSが提供するサービスには、金属部品の3Dプリントのほか、クリエイティブな製品設計、分析、機械加工、後処理、品質検査などがあります。

INTECH DMLS は、選択的レーザー溶融 3D 印刷技術を使用して、従来の製造プロセスでは処理が難しい複雑な構造金属部品や軽量部品を製造します。 INTECH DMLSがHindustan Aeronautics (HAL)に納入した25KNエンジン燃焼室ケースは、複雑な薄壁部品です。最初の3Dプリント燃焼室ケースは、14か月前にHindustan Aeronauticsに納入されました。この部品は過去 1 年間にわたって顧客によって性能テストが行われており、現在 2 つ目の部品が製造されています。

25KNエンジンの燃焼室ケースはニッケルベースの高温合金で作られています。このような部品は構造が大きく複雑なだけでなく、構造の完全性に対する要求も高いです。従来の製造技術では、このような部品を加工するのに多くの困難があります。例えば、部品の壁厚が比較的薄いため、加工中に変形したり工具のたわみが生じたりしやすく、加工精度の確保が困難です。加工中にブランクの材料の大部分を切削代として除去する必要があり、切削加工量が多くなります。材料の熱伝導率が悪いため、切削中の切削温度が高く、加工硬化現象が深刻で、工具の摩耗が深刻です。

これらの困難により、エンジン燃焼室ケーシングの製造サイクルが長くなり、製造コストが高くなります。INTECH DMLSによると、この部品を製造する従来のプロセスでは18〜24か月かかりますが、INTECH DMLSの燃焼室ケーシングの研究開発および製造サイクルは3〜4か月です。使用される製造プロセスには、3Dプリント、熱処理、機械加工、ニッケルベースの高温合金ケーシングの表面処理、および5つの独立した3Dプリント部品のレーザー溶接が含まれます。

製造プロセスに加えて、3D プリントされた燃焼室ケーシングの設計コンセプトも、従来の製造方法で製造されたケーシングとは異なります。3D プリントされた燃焼室ケーシングは、5 つの 3D プリント部品をレーザー溶接して構成されていますが、従来の方法で製造されたケーシングには、より多くの部品があります。製品設計の考え方の変化は、ユーザーにとって大きな課題です。INTECH DMLSとHindustan Aeronauticsの設計チームは、3Dプリントされた燃焼室ケーシングの設計タスクを共同で引き受け、製品設計にDesign for Additive Manufacturing（DFAM）の考え方を採用しました。

INTECH DMLS チームは、2 番目のエンジン燃焼ケースを製造する際に、製品設計の最適化を継続します。 INTECH DMLSは、国際航空宇宙品質管理システム規格AS9100 Cの認証を取得しています。今後、同社は金属3Dプリント技術を使用して、さらに多くの航空機エンジン部品を開発する予定です。

このような薄肉エンジン部品の製造における3Dプリント技術の応用には、3Dプリントされたインベストメントモールドによるケーシングの精密鋳造も含まれることが分かっています。また、華南理工大学は、金属3Dプリント技術によって複雑な形状の薄肉部品を形成し、その後、鋳造法によって薄肉部品に鋳造材料を充填する方法も提案しています。鋳造材料の融点は薄肉部品の融点よりも低く、その後冷却して複雑な固体部品を形成します。最終的には、これらの 3D プリント技術が航空機エンジン製造にどのような価値を生み出すことができるのか、注目していきましょう。

さらに読む:
「SpaceX 3Dプリントロケットエンジンによる3Dプリントの展望の詳細な分析」
フランスの航空宇宙大手サフランがオーストラリアのモナシュ大学と提携し、航空エンジンを3Dプリント

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出典: 3Dサイエンスバレー

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