米空軍研究所は連続複合3Dプリントを精力的に開発しており、ドローンの翼の成形に使用している。

出典: 積層造形技術フロンティア

航空宇宙分野の急速な発展と世界各国での低高度エリアの継続的な開拓により、さまざまなドローンの応用が大幅に増加しました。ステルス性、高機動性、統合はUAVの重要な発展傾向です。偵察用であろうと、機体自身の健康状態のインテリジェント監視用であろうと、翼胴融合構造設計は多くのUAVの目標を達成するための最も重要な方法の1つです。同時に、機体構造の統合の要件も満たし、UAVの部品と構造アセンブリの接続数を減らします。

翼胴融合型無人機の胴体構造は一体型複合パネルで構成されており、材料には高強度、高靭性、高流動性が求められます。現在は複合材料や高性能エンジニアリングプラスチックが主に使用されています。製造方法に関しては、金型と切り離せないため、複雑な構造の製造には効率性やコスト面での利点がないことは間違いありません。米国空軍研究所 (AFRL) は、米国国防総省の厳しい製造ニーズを満たす連続複合先進航空構造の製造技術を評価および改善するために、大手 3D 印刷サプライヤーの Continuous Composites と提携し、連続複合 3D 印刷がドローンの翼の直接製造にうまく使用できるかどうかを研究しています。
△米空軍が低コストで効率的な無人機XQ-58Aヴァルキリーを披露
2015年に設立されたContinuous Composites社は、連続繊維強化材と熱硬化性樹脂技術を組み合わせた「世界初の特許取得済み連続繊維3Dプリント」を所有していると主張している。ロボットアームの先端に取り付けられたアクチュエーターを使用して、繊維材料を高速硬化ポリマー樹脂と一緒に堆積させる。繊維を注入した樹脂は紫外線下でほぼ瞬時に硬化し、カスタマイズ可能な強度特性を持つ異方性部品を生成します。この技術は、炭素繊維、ガラス繊維、光ファイバー、金属繊維など、さまざまな種類の繊維を処理できます。

3D プリントでは、連続繊維を非常に正確に配置および配向できます。したがって、繊維は製品内の選択された方向と位置に配置され、指定された荷重経路に沿って必要な強度と剛性を提供し、内部構造の不可欠な部分を形成します。つまり、ファイバーは機能するために必要な場所に配置でき、複数のファイバーを使用してコンポーネント全体にセンサーのアレイを形成することもできます。同時に、3D プリントではツールや金型が不要になるため、より複雑で時間がかかり、高価な従来の複数ステップの製造技術に代わる、あらゆる形状の連続繊維強化複合材を 1 ステップで製造する方法が提供されます。

防衛応用分野では、3D プリント技術は、軽量でトポロジー的に最適化された構造部品を低コストかつ時間節約で製造する方法であることは間違いありません。これらの利点は、米国空軍の低コストのウェアラブル航空機技術/プラットフォームプログラムと直接一致しています。そのため、Continuous Composites 社の技術は米国空軍に好まれています。実際、両者は現在、協力の第2段階を進めており、米空軍が同社の長期顧客となっていることは間違いない。

Continuous Composites 3D 印刷技術コラボレーション自体には、単一の一体型翼フレームに統合されたスパーとリブ構造を 3D 印刷することが含まれます。印刷に先立ち、Continuous Composites 社と AFRL の Advanced Structural Concepts Division は、AI ベースのジェネレーティブデザインソフトウェアを使用して、連続炭素繊維で強化された高性能熱硬化性樹脂を使用して製造される翼構造の形状を最適化しました。

3D プリントされたフレームは、製造されると、複合材製の主翼外板と組み立てられます。AFRL は構造性能を評価するために静的主翼テストも実施し、Continuous Composites はプロセスデータを記録し、3D プリント技術と従来の製造および組み立てプロセスを比較します。

△3Dプリントされたドローンの翼の桁とリブ△3Dプリントされた連続繊維複合材連続複合材3Dプリント技術は、コスト、納期、部品特性の面で幅広い利点があります。以前、Continuous Composites 社はエネルギー技術企業 Siemens Energy 社とも提携し、特殊な熱硬化性ガラス繊維強化ポリマー材料を使用して発電機部品を製造していました。

航空科学技術ジャーナルによると、従来の自動フィラメント配置と比較して、連続繊維3Dプリント技術は自動化と柔軟性のレベルが高く、一般的な炭素繊維/ポリエーテルエーテルケトン部品の場合、研究開発サイクルを従来の1/30に短縮し、生産速度を100倍に高めることができます。この技術は、複合部品の大量生産だけでなく、極めて複雑な形状や極めて精密な製造を必要とする重要な部品の1回限りの印刷にも使用でき、航空複合構造の生産モデルを覆すものになると考えられています。

米空軍研究所は連続複合3Dプリントを精力的に開発しており、ドローンの翼の成形に使用している。

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