GKNの積層造形レイアウトの解明

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-26 10:01 に最後に編集されました。

GKN（GKN グループ）は、航空宇宙、自動車トランスミッションシステム、粉末冶金、地上特殊車両の 4 つの主要事業分野を持つ世界的なエンジニアリングサービス企業です。 GKN の航空宇宙事業部門は、複数の買収を通じて、徐々に世界クラスのサービス能力を確立してきました。アンタークティック・ベアによれば、GKNの子会社であるHoeganaes Ltd.が生産する金属粉末製品は北米で50％以上の市場シェアを占めており、欧州の金属粉末製品市場でもHoeganaes Ltd.製品の売上が急成長しているという。

GKN は、強力な航空宇宙事業を中心に、米国の GKN シンシナティアディティブマニュファクチャリングセンターオブエクセレンス、スウェーデンの GKN トロルハッテンアディティブマニュファクチャリングセンターオブエクセレンス、英国の GKN フィルトンアディティブマニュファクチャリングセンターオブエクセレンスの 3 つのアディティブマニュファクチャリングセンターオブエクセレンスを構築しました。

図: GKNの航空宇宙研究センターと研究パートナー

同グループは、積層造形センターを通じて、航空宇宙部品製造、積層造形、材料研究開発の社内能力を統合し、航空機製造事業における積層造形技術の応用を推進していく。 GKN Aerospace の積層造形へのアプローチについて学びます。

出典: GKN

GKNの買収は「大きな出来事」

まず、GKN の航空宇宙事業における買収のマイルストーンを見てみましょう。

-2001年にGKNは米国セントルイスにあるボーイングの構造事業工場を買収し、金属・複合技術分野でボーイングとの協力を強化しました。

-2009年に同社は英国フィルトンにあるエアバスの生産・組立工場を買収し、金属航空宇宙構造物の組立能力を強化しました。

-2012年にGKNはスウェーデンのボルボ・エアロを買収し、航空機エンジン部品の市場リーダーとしての地位を確立し、GKNの航空宇宙事業を拡大しました。

-2015年にGKNはオランダのフォッカーテクノロジーを買収しました。これにより、GKNの国際事業が拡大し、航空事業および航空機配線システム市場における地位が向上します。

これらの買収を通じて、GKN は航空宇宙製造事業をさらに拡大しました。航空宇宙製造業は、製品の納品と性能に関して最も厳しい要件があり、また高価な製造材料のコストを節約する必要性が切実にあります。これらの要求が、GKN が付加製造能力を構築する主な原動力となっています。

画像：積層造形（左）と従来技術（右）の材料利用の比較納期に関して、GKN の一部の複雑な部品は、従来の製造型開き技術を使用すると、反復に最大 2 年かかります。積層造形技術を採用した後は、反復サイクルを 1 年以内に短縮できます。コスト上の利点は主に材料利用率とエネルギー効率の向上に反映されており、チタン合金などの高価な航空材料に対する積層造形技術の利用率はほぼ100％です。

画像: GKN SLM 3D プリント部品積層造形技術の納期とコストの優位性は従来の製造技術と比較したものですが、積層造形技術によってもたらされる製品性能上の優位性は、この技術が従来の製造技術では実現できない航空宇宙製造事業向けの特殊部品を提供できることを指します。たとえば、積層造形技術では、位相的に最適化された特殊な幾何学的構造を持つ軽量部品を製造できます。

GKN は、積層造形部品の設計において、バイオニック設計の概念にも重点を置いています。積層造形技術は、カスタマイズされた「その場で」複合微細構造を生産する能力を備えています。プロセスパラメータを制御することにより、積層造形はコンポーネントのパフォーマンスを向上させるために必要な望ましい微細構造を作成できる可能性があります。

付加製造技術にはさまざまなプロセスが含まれますが、GKN はどのような付加製造技術を習得しているのでしょうか? 3 つの付加製造エクセレンスセンターはどの付加製造技術に重点を置いていますか?

微細スケール堆積

この技術には、金属線を印刷材料として使用し、強力な電子ビームを使用して真空環境で最大1000°Cの高温で金属部品を溶かして印刷する電子ビーム溶融溶接技術と、レーザーが堆積領域に溶融池を生成し、それを高速で移動させる粉末供給技術が含まれます。材料は粉末の形で高温の溶融ゾーンに直接供給され、溶融した後に層ごとに堆積されます。

米国シンシナティにある GKN の Additive Manufacturing Excellence Center は、レーザービームをエネルギー源として金属ワイヤの溶融堆積成形技術を担当しています。 3Dサイエンスバレーは、GKN航空宇宙部門が主にこの技術を使用して、航空構造部品や、購入対飛行比率が大幅に向上してコストが削減された一部の部品など、50cmを超える部品を製造していることを知りました。

GKN の米国付加製造センターオブエクセレンスは、オークリッジ国立研究所と連携して、フランジの部分的な製造や部品全体の製造など、大型部品の付加製造能力の向上を目指しています。

GKN USA の Additive Manufacturing Center of Excellence に加え、スウェーデンの GKN の Trollhätten Additive Manufacturing Center of Excellence が、大規模な部品製造の主要拠点となっています。ここで、GKN はこの種の付加製造技術を適用して、チタンおよびニッケルベースの合金を製造します。 GKN の付加製造技術の応用には、高価値部品のメンテナンス、中型航空機エンジンの製造、航空宇宙構造部品の製造という 3 つの主要な側面が含まれます。積層造形技術の応用により、部品点数を削減し、仕上げ工程における部品の材料除去率を低減し、購買対飛行比率を向上させることができます。

画像: GKN

その中で、GKNトロルヘッテン積層造形エクセレンスセンターが保有する電子ビームワイヤ溶融溶接技術は、主にGKNの大型航空機エンジン部品や航空宇宙部品の製造に使用されています。 3D Science Valley の市場調査によると、代表的な用途の 1 つは、重量 50kg の Ariane 5 ロケットの Vulcain 2 ノズルです。この大型の積層造形部品は構造を強化し、製造コストを節約します。

GKN トロルヘッテンセンターの粉末供給レーザー粉末堆積技術は、主にチタン合金およびニッケルベース合金部品の修理に使用されます。

パウダーベッドテクノロジー

GKN が使用する粉末床技術には、選択的レーザー溶融法 (SLM) と電子ビーム溶融法 (EBM) が含まれます。その中で、EBM技術は主にTi-6Al-4Vチタン合金の小型から中型の部品の製造に使用されています。 SLM 技術製造の重点分野は、チタン合金およびニッケルベースの高温合金部品、ならびに複合部品および高付加価値部品です。

画像: GKN フィルトンセンターで製造された部品

これらのアプリケーションの推進を担当する GKN Filton Additive Manufacturing Center of Excellence には、3 つのユニットに分かれた 12 台の積層造形マシンがあり、そのうち 2 台は EBM マシンで、3 台目は SLM マシンです。最初のユニットの EBM 装置は、主にプロセスパラメータと、その結果生じる微細構造および特性の制御を研究する目的で使用されます。この情報の分析により、第 2 ユニットの装置のプロセスパラメータが設定され、チタン合金部品の小ロット生産が実行されます。フィルトン・アディティブ・マニュファクチャリング・センター・オブ・エクセレンスには、付加製造装置に加えて、粉末材料の特性と品質をテストおよび管理するための材料研究所もあります。

画像: GKN EBM 社製のブラケット、部分的に機械加工済み

上記の設備・材料は主にチタン合金、ニッケル基合金部品の製造に使用されます。 GENフィルトンセンターは、積層造形技術を通じて、複雑な部品の製造コストを効果的に削減しました。同時に、統合部品と構造最適化部品の製造により、製品性能も向上しました。製品性能の向上は、航空機の性能向上とエネルギー消費コストの削減に反映されています。

プラスチックの付加製造

GKN のプラスチック製品向け積層造形技術には、選択的レーザー焼結 (SLS) と FDM (熱溶解積層法) が含まれます。 SLS 技術の印刷材料は主にナイロン粉末ですが、FDM の印刷材料にはさまざまな熱可塑性フィラメントが含まれます。どちらのプロセスも、金型製作とラピッドプロトタイピングに使用されます。ポリマープラスチックの付加製造も、GKN フィルトン付加製造センターオブエクセレンスによって進められています。

GKN航空宇宙部門では、航空部品の大量生産に積層造形技術を活用する取り組みが積極的に進められている。GKN航空宇宙積層造形部門の責任者であるシャーマン博士は、GKNが積層造形技術の応用の発展を加速させると予測している。次に、GKNはロールスロイス社と提携してXWB-84大型航空機エンジンを製造し、このエンジンでも積層造形技術を導入して軽量で高性能なコンプレッサーケースを製造する予定だ。

出典: GKN

ローマが一日にして成らずと同じく、GKNは積層造形の将来性に自信を持っています。同時に、同社は製造分野における積層造形の応用を異なる発展段階に分け、積層造形は現在のニアネットシェイプ部品の修理と製造から、完全に最適化された部品とシステムの製造、カスタマイズされた微細構造と機能レベルの材料製造へと発展します。同時に、航空宇宙分野では積層造形がますます重要な役割を果たすようになり、積層造形技術によって 100% 製造される航空部品が増えるでしょう。

出典: GKN

部品の信頼性、品質、繰り返し可能なプロセス、および適格な材料は、ユーザーが積層造形部品を受け入れるかどうかの重要な要素です。 GKN はこうした一連の品質管理作業を非常に重視しており、サンプルテストを通じて厳格な品質管理を行っています。将来的には、GKN の付加製造技術は、GKN グループ内のより多くの部門と外部のパートナーに役立つことになります。

参考文献:
GKNテクノロジー、より効率的な航空機への道をリード
GKN エアロスペース – 複合材料製造の未来に向けたテクノロジーとイノベーション
GKN エアロスペース – 付加製造

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
GKNとTLSが3Dプリント用チタン粉末を共同生産

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