付加製造が民間航空にもたらす機会と課題

出典: ジメン・ユアン

積層造形（AM）とは、3Dモデルデータに基づいて材料を積層することで部品や物体を製造するプロセスです。 20世紀末にアメリカの科学者チャールズ・ハルが提唱したこの新しい製造技術は、「未来の経済を決定する12の破壊的技術」の1つであり、伝統的な製造業からインテリジェントな製造業への産業の大きな転換を示し、技術革命の新たな波を引き起こしました。 30 年以上の開発を経て、付加製造は航空宇宙、バイオメディカル、自動車産業、家電製品などの分野で広く利用されるようになりました。従来の減算製造と比較して、付加製造は先進製造、インテリジェント製造、グリーン製造などの技術を統合し、製造サイクルの短縮、製造コストの削減、材料利用率の向上に明らかな利点があり、「中国製造2025」（国発[2015]第28号）で提案されたグリーン製造の概念と非常に一致しています。工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部、国家標準管理局などの省庁や委員会は、「国家付加製造産業発展促進計画」（2015～2016年）、「付加製造産業発展行動計画」（2017～2020年）、「付加製造標準パイロット行動計画」（2020～2022年）などの文書を相次いで発行し、付加製造技術の革新と産業応用を積極的に推進している。

1. 積層造形の応用状況

Wohlers Report 2022の統計によると、北米、欧州、アジア太平洋は積層造形分野で三つ巴の競争状況にあり、積層造形装置の設置容量はそれぞれ34.9%、30.7%、28.4%を占めています。この3つの地域は世界の設置容量の合計94%を占めており、そのうち米国、中国、日本、ドイツは設置容量で上位4位にランクされています。現在、民間航空の分野では、積層造形の応用は主に新設計製品のカスタマイズ、高性能部品の製造、高価値部品の修理に集中しています。

新製品の設計検証段階では、部品の需要が非常に低く、従来の製造方法を使用してプロトタイプや金型を作成するとコストと時間がかかりすぎるため、設計段階での製品の迅速な反復には役立ちません。積層造形は小ロット、パーソナライゼーション、カスタマイズに適しており、設計段階で新しく設計された製品のプロトタイプのカスタマイズに非常に適しています。ボーイング、エアバス、GEは、戦略的技術の一つとして積層造形を開発してきました。COMACもC919の開発中に、多数の積層造形部品を開発しました。

積層造形は、従来の積層造形法では実現できない複雑な幾何学的構造部品を生産することができ、民間航空機の高構造強度、軽量、高安全性の要件を満たしています。性能を確保しながら部品の重量を大幅に軽減できるため、航空機の性能が向上し、航空燃料コストが節約されます。例えば、GE は選択的レーザー溶融 (SLM) 積層造形技術を使用して、LEAP エンジンの燃料ノズルを従来の製造方法の 20 個の部品から 1 個の部品に減らし、重量を 25% 削減し、寿命を 5 倍に延ばしました。

高価値の航空部品の修理分野では、積層造形技術に基づく再製造により、廃棄される部品の価値の開発と利用を最大化し、故障した部品や廃棄された部品による環境への害を減らし、グリーン製造を実現できます。例えば、積層造形を手がけるアメリカの企業であるオプトメック社とロボットシステム企業のACME社は、航空機エンジンのチタン合金製コンプレッサーブレードを修理するための業界初の自動化作業セルを共同で開発しました。 2021年以来、オプトメックはレーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）技術に基づくジェットエンジン部品の修理契約を米国空軍から連続して受注しています。
中国では、湖北超卓航空科技有限公司の「アルミニウム合金およびマグネシウム合金部品のコールドスプレー補修プロセス仕様」が2023年に中南部民用航空局に承認されました。これは、中国の民用航空整備業界におけるコールドスプレー固体積層造形技術の初めての応用です。

2. 民間航空における積層造形の可能性と課題

工業情報化部設備産業発展センター主任エンジニアの左世全氏は、「付加製造産業発展（広州）及び2023年付加製造産業年次大会」での報告書「付加製造10年の発展と展望」の中で、わが国の付加製造産業の規模は2012年から2022年の間に10億元から320億元に増加し、2023年には400億元を超え、2027年には1000億元を超えると予想されていると指摘した。「第14次民用航空発展5カ年計画」では、「民用航空は質の高い発展に向けた転換を加速すべき」と提言しており、新たな科学技術革命と産業転換の戦略的機会を捉え、科学技術の自立と革新のリーダーシップを強化し、資源と環境の制約に積極的に対応することが求められている。付加製造は現在最も有望な新しい製造技術として、民間航空の変革と高品質開発のニーズによく合致しています。特に民間航空機の整備分野において、積層造形部品の耐空性認証の難易度は、全く新しい設計・製造の難易度に比べて比較的低い。部品の修理や自社生産に積層造形技術の応用を推進することで、欧米の航空大国が築いた財政的・技術的障壁を突破し、航空事業者のコストを効果的に削減できるだけでなく、航空部品製造・再生企業群を育成し、将来起こり得る「ボトルネック」に備えてリソースを確保することもできる。

まったく新しい技術である付加製造は、何年も前に複合材料がそうであったように、民間航空規制当局に認証に関する新たな課題をもたらします。積層造形プロセスを制御し、積層造形部品の信頼性と一貫性のある性能をどのように実現するかが、現在、各国の民間航空管理機関の焦点となっています。米国連邦航空局（FAA）は、2015年から積層造形関連の研究を後援し、毎年セミナーを開催しています。欧州航空安全局（EASA）も同時期に関連会議を開催しており、2018年にはFAAと交代で「FAA-EASA業界規制当局年次積層造形イベント」を主催し、民間航空業界での積層造形部品の使用を促進し、政府機関、標準化団体、学界、民間航空業界団体などの主要な関係者間の技術対話と知識共有を促進しています。民間航空分野における積層造形の応用を促進するために、民間航空管理機関は以下の 4 つの側面に重点を置くことが推奨されます。

（１）積層造形に関する基準と評価方法を確立する。

標準化は、積層造形製品の品質を確保し、積層造形技術の進歩と革新を促進する効果的な手段です。国際標準化機構 (ISO) の付加製造標準委員会は、米国材料試験協会 (ASTM) と共同で、2018 年から 2022 年にかけて付加製造に関する一連の標準を発表しました。 FAA はまた、自動車技術協会 (SAE)、航空宇宙工業会 (AIA)、米国材料試験協会 (ASTM)、米国溶接協会 (AWS)、積層造形標準化協力 (AMSC) などの組織と協力して、積層造形の標準化を推進し、民間航空製品に適用可能な積層造形認証基準を策定しています。中国では、2016年に国家付加製造標準化技術委員会が設立され、用語や定義、成形プロセス、試験方法、品質評価などを網羅した10以上の付加製造規格を発行しています。民間航空製品の認証については、FAA は製造および保守組織の検査官向けのガイダンス資料を発行し、さまざまな製品タイプに基づいてリスクの高い付加製造アプリケーションプロジェクトを監視しています。

（２）積層造形部品の認証制度を確立する。

積層造形部品は、成形プロセス、微細構造、機械的特性、欠陥の種類などの点で、従来の鍛造部品や鋳造部品とは異なります。積層造形部品が民間航空で安全かつ確実に使用できるかどうかは、完全な認証プロセスが必要です。 FAA の要請により、アメリカオートメーション協会 (AIA) は、材料、プロセス、部品、システムの認証と、業界における現在のベストプラクティスをまとめた「積層造形コンポーネント認証の推奨ガイドライン」を発表しました。 2016年にはFAAも「航空機、エンジン、プロペラ、電子機器の修理および改造における付加製造の使用に関する通知」を発行し、関連する使用法を紹介しました。 EASA は、付加製造に関する認証覚書を発行し、EASA 認証の民間航空製品 (航空機、回転翼航空機、発電所を含む) および部品における付加製造技術の使用に関する追加ガイダンスを提供しています。従来の製造プロセスと比較すると、積層造形には業界共通のデータや製造経験のサポートが欠けており、さまざまな民間航空管理機関は現在も認証と改善の方法を採用しています。

（３）リスク特定や製造工程管理に適した高度な非破壊検査方法を確立する。

積層造形部品は、通常、非常に複雑な形状（隠れた内部構造を含む）、従来の製造方法とは異なる材料微細構造、異方性、粗い表面仕上げを備えています。また、このプロセスに特有の製造欠陥や材料異常が生じる可能性もあります。超音波検査、X 線検査、蛍光浸透探傷検査などの既存の非破壊検査方法と経験は、積層造形部品には効果的に適用できない可能性があります。現状では、どのような標準的な方法や設備でさまざまな種類の欠陥を効果的に識別できるか、従来の方法では検出できない欠陥や検出できない欠陥をどのように判断するかなど、一連の問題に対する統一された評価基準や仕様がまだ不足しています。 FAA は、業界、学界、政府機関、標準開発組織と協力して、金属積層造形部品に関連する重大な欠陥や異常を検出する非破壊検査方法の開発を進めています。

（４）積層造形部品の誤用を防止する。

付加製造は航空機部品の製造を容易にしますが、部品をコピーして悪用する方法も提供します。現在、FAA と EASA は、メンテナンスに使用される付加製造部品は、材料がまったく同じであっても自家製部品と同等の代替品とは見なしていないため、完全な認証が必要です。積層造形部品の悪用を防止するため、FAA は、偽造積層造形部品が民間航空分野に流入するのを防ぐための疑わしい未承認部品 (SUP) プログラムを確立しました。

民間航空分野における積層造形の応用はまだ限られており、技術的な安定性の検証をさらに積み重ねる必要があります。積層造形部品の異方性特性により、異なる方向における機械的特性の変動は比較的大きくなります。主要な民間航空当局は、重要な用途と重要でない用途の両方において、航空宇宙部品に対するますます厳しいテストおよび認証要件を実施しています。さらに、民間航空分野における積層造形の現在の応用においては、製造プロセスの再現性と製造品質の一貫性が大きな課題となっています。特に大量生産においては、従来のプロセスの包括的な材料の理解や豊富なデータベースとは対照的に、積層造形には事前の経験、製造プロセスの完全な理解、製品性能の詳細な理解、故障メカニズムのデータが欠けています。しかし、積層造形は伝統的な製造業に破壊的な変化をもたらし、国内の民間航空機製造業における中核的な製造技術の飛躍的進歩と飛躍的発展を促進するでしょう。

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