エアバス A350 機には 3D プリントされたチタン部品が使用されています。あなたはそれに座ってみませんか?

多くの業界関係者が信じているように、金属は 3D プリント技術の最も有望な用途の 1 つです。 Antarctic Bear 3D Printing Network の統計によると、世界中の 3D プリント出力値の大部分は金属が占めています。

2015年12月14日、世界的な金属3Dプリンター専門メーカーであるドイツのConcept Laserは、2014年に生産されたエアバスA350型機が3Dプリントされたチタン部品を使用した世界初の旅客機であることをAntarctic Bearに公式に発表した。

この飛行機には3Dプリントされた部品が使われています。あなたはこの飛行機に乗ってみませんか？この質問を受けて、以下の答えを探してください。

• エアバス A350 XWB コネクタが「ドイツビジネスイノベーションアワード 2014」の最終候補に選出
• コンセプトレーザーの創設者兼CEOであるフランク・ヘルツォグ氏を含む3人のプロジェクトリーダー
パートナーは「2015年ドイツ未来賞」で「最優秀チーム」の栄誉を共同で受賞しました。
• 3Dプリント技術は航空機製造業界で普及しつつある
• 将来の3D金属印刷は「バイオニック」航空機の建造と軽量構造を可能にする可能性がある

金属レーザー溶融技術は航空機製造業界でますます重要になっています。納期の短縮、部品の適合性の向上、これまでにない成形の自由度の高さが、この技術を選択した重要な理由でした。今日、航空機の「軽量構造」と「バイオニクス」におけるこの技術の優れたパフォーマンスにより、この傾向はさらに明白になっています。金属レーザー 3D 印刷技術は、私たちの設計思考を変えています。将来の航空機設計では、コンポーネントは軽量要件を満たしながら、的を絞った方法で力線を吸収できるようになります。耐久性、リソースの節約、コスト構造の改善により、両方のメリットを享受できます。

— リヒテンフェルス、2015年12月14日

△エアバスA350 XWBに使用されている接続部品、いわゆるブラケットが「2014年ドイツ経済イノベーション賞」の最終候補に選ばれました。この部品はチタン (Ti) 素材で作られており、金属レーザー溶融技術 (LaserCUSING) を使用して印刷されます。

Concept Laser GmbHの創設者兼CEOであるフランク・ヘルツォク氏、エアバス・ハンブルク社の新興技術およびコンセプト部門責任者であるピーター・サンダー氏、ハンブルクのLaser Zentrum Nord GmbHのCEOであるクラウス・エメルマン教授（工学博士）は、エアバスA350 XWBで使用される接続部品用のいわゆるブラケット3D金属印刷プロジェクトの開発と製造に共同で取り組んでいます。以前は、この部品はアルミニウム (Al) から削り出されていました。今ではチタン（Ti）素材で印刷できるようになり、重量を30％以上削減できるようになりました。

エアバス A350 XWB のコネクタは 3D プリントを使用して製造されており、2014 年に「2014 ドイツビジネスイノベーション賞」の最終候補に選ばれました。審査員の評価意見：この業界横断的な開発形態は、航空機部品の製造方法と民間航空機の「軽量化」アプローチを完全に変えました。2015年12月2日、プロジェクトに携わった3名のメンバーは、ドイツ・ベルリンで開催された「2015年ドイツ未来賞」で共同で「最優秀チーム」の名誉称号を授与され、ドイツ大統領直筆の栄誉証書を受け取りました。

△コンセプトレーザー社の創業者兼CEOのフランク・ヘルツォク氏（右から1人目）、エアバス・ハンブルク社の新興技術・コンセプト部門責任者のペーター・サンダー氏（左から1人目）、ハンブルクレーザーセンターノルト社のCEOのクラウス・エメルマン教授（左から2人目）は、2015年12月2日にドイツ・ベルリンで開催された「2015年ドイツ未来賞」において、「ベストチーム」の名誉称号を共同で受賞し、ヨアヒム・ガウクドイツ大統領（右から2人目）より直々に名誉証書を受け取った。 [画像出典: Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]

航空機部品設計への新たなアプローチ 航空機産業における金属レーザー溶融を支持する論拠は、自由成形と重量軽減である。その中で、「軽量」という特徴は、航空会社が航空機の運航においてより経済的な成果を達成するのに効果的に役立ちます。エレメント（ブラケット）を固定することで軽量化が図れるため、燃料消費量の削減や航空機の積載量の増加につながります。新しい航空機を設計する場合、数千個の FTI (Flight Test Installation) ブラケットが少量ずつ製造されます。金属 3D プリント (レイヤーマニュファクチャリング) 方式は、設計者が新しい設計構造を迅速に作成するのに役立つだけでなく、従来の鋳造部品やフライス加工部品よりも 30% 以上軽量な部品を作成することもできます。さらに、金属レーザー 3D プリントプロセスは CAD データに直接基づいているため、金型が不要になり、コストが削減され、部品をより早く使用できるようになるため、最大 75% の時間を節約できます。同時に、金型を必要としない本工法の特徴を生かして、量産部品に近い特性を持つ試作部品を早期に製造することができ、金型コストを大幅に削減します。これに基づいて、金属レーザー 3D プリント技術を使用して、設計の初期段階でエラーの原因を発見し、プロジェクトプロセスを最適化することができます。ハンブルクのエアバス社の新興技術・コンセプト部門責任者、ピーター・サンダー氏は「以前は部品開発に約6カ月のスケジュールが必要だったが、今では1カ月しかかからない」と語った。

「グリーンテクノロジー」は資源を節約します 航空機部品のフライス加工工程では、最大 95% のリサイクル可能な廃棄物が発生します。レーザー溶融技術を使用することで、オペレーターは「最終輪郭に近い部品」を得られるだけでなく、廃棄物はわずか 5% 程度に抑えられます。「航空機業界では、これを『購入から飛行までの比率』と呼んでいますが、90%というのはここでも印象的な数字です。もちろん、エネルギー効率の観点から測定した場合もプラスの数字です」と、ハンブルクのLaser Zentrum Nord GmbHのCEO、クラウス・エメルマン教授（工学博士）は述べています。このアプローチは、チタンなどの高度で高価な航空機製造材料に適用する場合に特に魅力的です。金型を使用しない製造方法により、時間が節約され、コスト構造が改善されます。ターゲットを絞ったエネルギー投入と資源の節約が、レーザー溶融技術の主な特徴です。ドイツのリヒテンフェルスにある Concept Laser GmbH の CEO である Frank Herzog 氏は、「LaserCUSING は、製造プロセスの環境フットプリントを改善する『グリーンテクノロジー』です」と考えています。

航空機製造は変化の原動力である 一般的に言えば、レーザー溶融技術は、小中量生産において常に有利な製造コスト効果をもたらします。ピーター・サンダー氏は次のように紹介しました。「航空機の製造工程で規模の経済性を達成したい場合、大量生産よりも各バッチの製品サイズの方が重要です。」レーザー溶融技術の使用には、高額な金型投資コストや金型コストは必要ありません。さらに、レーザー 3D プリント方式では、従来の製造方法よりも高いモデリングの自由度も得られます。冷却チャネルなどの溝や内部チャネルの作成など。航空業界では、航空機メーカーがすでにこのプロセスを利用して電子機器の冷却要素やインテリジェント油圧部品を製造することを検討しています。「この技術は、特に長さ 1 メートル未満のコンポーネントや推進領域のコンポーネントに大きな可能性を感じています」と、エメルマン教授 (工学博士) は述べています。しかし将来的には、物理学の限界を押し広げ、さらに大きなコンポーネントを作成できる接合方法を開発できる可能性があります。しかし、レーザー溶融技術は、これまでにない幾何学的形状と機能性を初めて組み合わせたため、現在でも最も注目を集める技術となっています。この技術により、CAD 設計段階でコンポーネント内のエネルギー流束を非常に正確に決定できるようになります。全体的に、レーザー溶融技術により、現在の部品よりも優れ、軽量で、耐久性に優れた安全部品を開発できます。さらに、材料特性もわずかに異なると、エメルマン教授（工学博士）は述べています。「レーザー 3D プリントで印刷された材料は強度が高く、延性は低いものの、適切な熱処理を施せば再び強度を高めることができます。」

スペアパーツ供給 2.0: ジャストインタイム、分散型、オンデマンド
「ジェネレーティブアビエーション」のもう 1 つの関連アプリケーションは、スペアパーツの分野です。将来的には、スペアパーツは分散型で、「オンデマンド」で、アプリケーションの近くで、金型を必要とせずに製造されるようになります。部品に障害が発生した場合、スペアパーツを現場で直接製造できます。その結果、分散型製造ネットワークが出現し、グローバルおよび地域戦略が現実のものとなる可能性が高くなります。これにより輸送距離が最小限に抑えられ、さらに重要なことに、供給時間が短縮されます。その結果、整備や点検にかかる航空機のダウンタイムが短縮されます。航空機のライフサイクルが長いため、使用頻度の低い部品を保管するために大規模なスペアパーツ倉庫を建設せざるを得ない現状は、将来的には緩和され、これらの倉庫の規模は大幅に縮小される可能性があります。資本占有率を削減し、運用の柔軟性を向上させるだけでなく、さらに重要なことに、安全コンポーネントをより早く使用できるようになります。航空業界がコスト圧力に直面している今、これは非常に魅力的です。

コンポーネント設計または製品設計におけるバイオニクス 金属レーザー溶融技術を使用すると、骨のような非常に微細な構造、つまり多孔質構造を生成することができます。「その結果、将来の航空機部品は『バイオニック』なものになるでしょう」とエメルマン教授（工学博士）は予測しています。数百万年にわたって、自然はさまざまな機能原理と軽量原理を最適化および開発し、リソースの投入を巧みに最小限に抑えてきました。これらはすべて模倣する価値があります。エアバスは現在、これらの自然な解決策の適合性に関する組織的な分析を実施しています。「インテリジェント露光戦略」により、レーザーをコンポーネントにターゲットを絞って投影し、その構造、強度、表面品質が要件を満たすようにすることができます。ピーター・サンダー氏は次のように語った。「関連するすべての安全要件を考慮しながら、最初のプロトタイプはバイオニクスの大きな可能性を実証しました。」このアプローチは、設計と製造におけるある種の考え方の変化をもたらす可能性があります。 ”

特性パラメータとしての疲労強度「現在の技術的限界は表面品質の妥協から生じていますが、それでも鋳造部品と同等です」とエメルマン教授（工学博士）は述べています。これにより、チタンなどの材料の疲労強度が著しく低下する可能性があります。そしてそれはまさに、航空機構造における高負荷部品の重要な特性パラメータです。ここでは、航空機の非常に長いライフサイクル（30 年以上）中に航空機が受ける高い負荷を考慮する必要があります。ただし、マイクロサンドブラストなどの下流の表面処理と適切な熱処理により、疲労強度は大幅に向上します。「最終結果として、圧延材の疲労強度値が達成されます」とエメルマン工学博士は述べています。

品質は重要なパラメータです 航空機メーカーにとって、部品製造段階での品質管理は最も重要な工業化モジュールの 1 つです。 Peter Sander氏は次のように紹介しました。「Concept LaserのQMmeltpool品質管理モジュールを搭載したインラインプロセスモニタリングシステムは、カメラとフォトダイオードを介して1x1mm2の非常に小さな領域でプロセスを監視および記録できます。」部品製造プロセスでは、QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder、QMlaserなどの品質管理モジュールが主なアクティブな品質保証ツールです。レーザー出力、溶融池、金属粉末の層構造を測定し、生産プロセス全体を継続的に監視して記録します。品質管理モジュールのもう 1 つの特徴は、監視プロセスがほこりや汚染のない状態であることを保証するために、閉鎖システムで動作することです。これにより、プロセスに悪影響を与える可能性のある干渉要因が排除されます。フランク・ヘルツォク氏は、「今日、私たちは制御され、再現性のある精度とプロセス安定性を備えた製造方法について話しています。」と語っています。エメルマン博士は、「品質管理モジュールにより、レーザーパラメータ、溶融プールの特性、シールドガスの組成などの重要なデータを監視および記録できます。汚染によって引き起こされる干渉変数を減らすことができます。当社の最新の研究プロジェクトの 1 つでは、光コヒーレンストモグラフィーを基盤の 1 つとする独自の品質保証コンセプトを開発しています。」と強調しています。

△Concept LaserのQMmeltpool品質管理モジュールを搭載したインラインプロセスモニタリングシステムは、1x1mm2の非常に小さな領域でカメラとフォトダイオードを介してプロセスを監視および記録できます。 [画像提供: Concept Laser]

述べる：
旅客機が 30 年を超えるライフサイクルを通じて運航されている場合、航空機は外乱変数または負荷の影響を受けることになります。航空機は運航中に多様かつ極めて複雑な負荷にさらされます。たとえば、基本的な静的負荷に加えて、航空機は地上での運用と飛行の間で極端な温度変動の影響を受けます。重要なのは、航空機の離着陸や、渦の中での連続飛行など、関連するコンポーネントに最も高い負荷をかける継続的な負荷です。渦の中での飛行では、翼端が数メートル曲がることがあります。ただし、固定部材（ブラケット）を設計する場合は、まず静荷重のみを考慮する必要があります。

背景情報

コンセプトレーザーについて
Concept Laser GmbH は、リヒテンフェルス (ドイツ) に拠点を置く独立企業です。当社は 2000 年の設立以来、レーザー溶融技術の分野で革新を推進し、特許取得済みの LaserCUSING® テクノロジーでさまざまな業界で事業を展開しています。

LaserCUSING® とは、英語の CONCEPT、Laser、FUSING の C を組み合わせた造語で、3D CAD データを基に融合技術で部品を層ごとに作成する技術を表します。この方法では、金型を使用せずに複雑な形状の部品を製造できますが、これは従来の製造方法では困難または不可能です。

LaserCUSING® テクノロジーは、輪郭に沿った冷却システムを備えた金型インサートの製造や、宝石、医療、歯科、自動車、航空宇宙産業向けのコンポーネントの直接生産に使用できます。試作品、量産部品ともに製造可能です。
当社は、標準装置およびカスタマイズされた金属レーザー溶融装置ソリューションを提供できます。 Concept Laser のフルサービスオプションでは、顧客は金属レーザー溶融システムを購入できるだけでなく、同社のサービスと開発機能も直接利用できます。

コンセプトレーザーのレーザー加工装置は、ステンレス鋼、熱間加工鋼、コバルトクロム合金、ニッケル基合金粉末材料、アルミニウム合金やチタン合金などの反応性金属粉末材料を加工できます。同社はまた、金合金や銀合金など、宝飾品の製造に必要な貴金属も提供できます。

LaserCUSING® は、次のような幅広い業界において、経済性と製品開発のスピードの面で新たな展望を切り開きます。
• 医療および歯科
• 航空宇宙産業
• 工具および金型製作
• 自動車製造およびモータースポーツ
• アクセサリー
• 機械製造

これらのデバイスにより、開発時間が短縮され、開発コストが大幅に削減されるとともに、製品開発時の柔軟性が大幅に高まります。

Concept Laser の高い品質要件、経験レベル、実績は、ソリューションのプロセス安定性とコスト効率の高さを強調しており、その効率は単位コストの削減を主な目標として日々の生産で実証されています。

エアバスについて エアバスは、100 席を超える市場で最も近代的で経済的な民間航空機シリーズを擁する、民間航空機の大手メーカーです。革新的なテクノロジーのリーダーとして、エアバスは世界で最も経済的で静かな航空機モデルのいくつかを発売しました。

過去 40 年間、エアバスは、独自の顧客志向、包括的なビジネス知識、高い製造効率により、業界の技術リーダーとして活躍してきました。現在、新たに設立されたエアバス・グループを管理する同社は、民間航空機の新規受注の約半分を獲得している。エアバスの包括的な製品ポートフォリオは、100 席から 500 席までの座席数を誇るいくつかの成功した航空機ファミリーで構成されています。これらは、航空史上最も成功したモデルであるA320neoを含む単通路のA320ファミリー、長距離ワイドボディのA330ファミリー（貨物バージョンとA330ベースのMRTTバージョンを含む）、新しいA350 XWBファミリー、そして2階建てのA380です。エアバス独自のシリーズモデルプログラムにより、すべてのエアバス航空機の機体、機内システム、コックピット、飛行性能に高い一貫性が確保されます。これにより航空会社の運営コストが大幅に削減されます。エアバスは、世界中の航空会社の要件にぴったり合った包括的なサービスを通じて、航空会社がエアバス機の収益性を積極的かつ的確に向上できるよう支援します。

エアバスの本社はフランスのトゥールーズにあります。グローバルに事業を展開する当グループは、米国、中国、日本、インド、中東に完全子会社を有し、ハンブルク、フランクフルト、ワシントン、北京、ドバイ、シンガポールにスペアパーツセンターを有しています。エアバスはトゥールーズ、マイアミ、ハンブルク、バンガロール、北京にもトレーニングセンターを持ち、世界中に150以上の海外オフィスを構えています。さらに、エアバスは世界中の大手企業と産業協力やパートナーシップを結んでおり、20カ国以上に約2,000社のサプライヤー（航空機部品のみ）のネットワークを形成しています。

エアバスは業界のリーダーとして、環境効率の高い企業となることを目指しています。これにより、エアバスは、その全製造拠点と製品がライフサイクル全体にわたって ISO 規格 14001 環境基準の認証を受けた世界初の航空宇宙企業となります。エアバスは、航空交通が環境効率を維持し、経済的利益が環境に与える影響がますます小さくなることを確実にしたいと考えています。

LZN Laser Zentrum Nord GmbHについて
LZN Laser Zentrum Nord GmbH は、レーザー技術のアプリケーション指向のコンピテンスセンターとして 2009 年に設立されました。 LZN は、世界で最も近代的なレーザー技術センターの 1 つとして、基礎研究と産業応用をつなぐ役割を担い、企業の競争力を継続的に高めるための未来の指針となることを自らに求めています。当社は、製品開発と生産プロセスを最適化する際に、「光によるエンジニアリング - 資源効率の高い製品のためのフォトニックソリューション」を指針とし、イノベーションの可能性を最大限に活用して、製品とプロセスの開発における品質、コスト、時間の優位性を確保しています。

レーザー技術は、さまざまな業界で数多くの応用可能性を持つ学際的な技術です。したがって、LZN GmbH の研究開発活動は、完成品に至るまでの全プロセスをカバーしています。同社の幅広い開発およびコンサルティングサービスには、ロボット支援板金加工 (RoLAS)、造船 (ShipLAS)、工具および機械製造 (ToolLAS)、医療製品製造 (MedLAS)、合成材料の取り扱いと加工 (SynLAS)、航空業界などの革新的な軽量構造 (AirLAS) など、さまざまな分野でのコラボレーションが含まれ、特にレーザーの専門分野に重点を置いています。同社は2014年にLight Alliance業界ワーキンググループにサービスを追加しました。「ライトアライアンス」は、代表的なデモンストレーションコンポーネントに基づいて「ライトエンジニアリング」を具体的に習得して実装し、業界や研究の専門パートナーと協力して将来の3Dレーザー製造技術の市場を開拓する機会を企業に提供します。

LZN GmbH は、ハンブルク工科大学のレーザーおよびデバイスシステム技術研究所 (iLAS) と密接に連携しています。