Caracolの大型積層造形（LFAM）ソリューションが航空宇宙産業を強化

はじめに: 積層造形の発展により、航空宇宙分野におけるその重要性は明らかです。もちろん、これは単一の付加製造プロセスだけを指すわけではありません。航空宇宙産業の OEM (相手先ブランド供給) では、直接金属レーザー焼結法 (DMLS) から熱溶解積層法 (FDM)、大型積層造形法 (LFAM) まで、さまざまなユースケースに合わせて幅広い 3D 印刷プロセスとソリューションを選択する傾向が高まっています。

イタリアの企業 Caracol は、航空宇宙メーカーの大型複合材ツールの製造をサポートする LFAM ソリューションを開発している企業の典型的な例であり、宇宙用途の大型金属構造部品の製造における専門知識と能力を拡大しています。 Caracol のユニークで多用途な LFAM ソリューション (複合材と金属の両方に対応) は、さまざまな利点を提供し、航空宇宙企業が革新と効率の新たなレベルに到達できるようにします。
Caracol の LFAM ソリューション<br /> Caracol は 2017 年にミラノで設立されて以来、アプリケーション第一のアプローチにより LFAM 分野の主要リーダーとなっています。創業当初、同社は単なる 3D プリントサービスプロバイダーであり、ロボットによる積層造形技術と社内の設計およびエンジニアリング能力を活用して、さまざまな業界のパートナー向けにさまざまなプロジェクトや認定部品を生産していました。それ以来、同社はポリマーおよび複合材料の LFAM 技術である Heron AM を開発し、商品化してきました。これは、無制限のサイズと複雑な形状の部品を製造できる 6 軸ロボット 3D プリンターです。このプラットフォームは発売以来、先進産業の多くの有名 OEM メーカーに使用されてきました。

Caracol の特許取得済みハードウェアと独自のソフトウェアをベースにした大型 Heron AM 3D 印刷ソリューションは、幅広い材料 (PP、ABS、ガラス繊維または炭素繊維強化 PC を含む) と互換性があり、航空宇宙分野に次のような多くの利点をもたらします。

軽量化
部品の統合
柔軟な生産計画
特殊素材
複雑なデザイン
消費量を減らす
コストを削減

最近では、Caracol は金属積層造形にも進出し、現在はワイヤアーク積層造形 (WAAM) システムを開発しています。この技術は、非構造完成部品、試験用構造部品プロトタイプ、宇宙船の重要部品などの大型金属部品の製造に適しています。このシステムはまだ市販されていませんが、Caracol のいくつかの革新的な研究プロジェクトの中心となっています。その中には、後ほど詳しく説明する宇宙産業向けのプロジェクトも含まれます。
民間航空複合材ツール<br /> 民間航空業界では、Caracol の HeronAM ソリューションが複合材ツールの製造に大きな可能性を示しています。たとえば、この技術は、ガラス繊維強化 ABS 製のトリミングおよびドリル工具や、炭素繊維強化 ABS 材料製のコールドラミネート工具の製造に効果的に使用されています。どちらのツールも、航空機の胴体の製造とメンテナンスに使用されます。

トリミングおよびドリリングツールは、航空機の胴体構造およびメンテナンスにおいて、アルミニウム、チタン、複合材などの材料を切断および成形するために使用されます。胴体部品は寸法精度が要求され、航空業界の厳しい基準を満たす必要があるため、航空機メーカーは仕様を満たす高品質のトリミングおよび切断ツールを製造できなければなりません。コールドラミネーションツール自体も、航空機の製造とメンテナンスの重要な部分です。具体的には、整備員が現場で機体システムを修理する際に使用し、機体部品の表面に薄い保護フィルムを貼り付けて腐食や傷などの動作上の損傷を防ぎ、航空機の耐用年数を延ばすのに役立ちます。
これらの航空宇宙ツールを製造するために、Caracol は高流量 (HF) 押出機を備えた Heron 300+ 構成を使用しました。 LFAM システムはレールのない標準構成で提供され、最大 3 メートルの長さのツールを印刷できます。どちらのツールも一体型で印刷されるため、組み立ての必要性が最小限に抑えられ、CNC 加工を使用して仕上げられるため、厳しい公差と最適な表面仕上げが保証されます。
従来のツール製造プロセスと比較すると、Caracol のソリューションにより、航空宇宙メーカーは材料の無駄 (最大 70～80%) を削減し、ツールの重量 (輸送と保管を容易にするために 80～90%) を軽減し、リードタイムを半分 (12 週間から 5～6 週間) に短縮できるため、結果として約 50% の大幅なコスト削減につながります。

eVTOL航空機用硬化ツール
カラコル社はまた、特にeVTOL航空機（電動垂直離着陸機）などの用途における熱硬化性プリプレグの成形プロセス向けの硬化ツールの製造における自社技術の活用も模索しています。硬化ツールは炭素繊維積層プロセスで使用され、最終部品の形状に基づいてカスタム設計されることがよくあります。電動垂直離着陸機の製造では、これらのツールは 20% の炭素繊維強化ポリカーボネートなどの高性能複合材料で作られており、中温オートクレーブ処理 (動作温度および圧力は最大 180°C、6 bar) に耐えられる必要があります。 LFAM を使用して複合金型を直接製造すると、製造工程の数が削減されます (つまり、マスターモデルは不要になります)。さらに、積層造形による設計の柔軟性により、ツールは重量と取り扱いを最適化でき、物流と保管が容易になります。
カラコル氏は次のように説明しています。「6 軸と数メートルに及ぶロボットアームの到達距離を持つ Heron AM は、複雑な形状の硬化ツールを 1 回の作業サイクルで印刷できます。組み立ての必要はありません。ほとんどの場合、印刷された金型は CNC で後処理され、作業面に必要な表面仕上げと寸法公差が実現されます。これにより、金型に溝を付けて、最終部品を金型内で直接トリミングすることもできます。」最終的に、eVTOL 航空機メーカーは、LFAM を使用して硬化ツールを製造し、廃棄物の削減、リードタイムの短縮、製造コストの削減に役立つため、競争上の優位性を獲得し、生産効率を高めることができます。

宇宙における金属LFAM部品の応用
カラコルの航空宇宙産業への影響は、複合材の大規模な付加製造だけにとどまりません。同社は現在、宇宙用途の大型構造部品への金属付加製造の活用を進めています。カラコルは、宇宙物流会社D-Orbit SpAおよびミラノ工科大学機械工学部と連携し、打ち上げロケットに搭載してキューブサットを軌道上に輸送・放出するために使用できる圧力タンクを開発するプロジェクトに取り組んでいます。これらのコンパクトなキューブサットは、データ収集や研究、研究用と商業用の両方の用途における通信や監視業務など、さまざまな目的に使用できます。
Caracol は、TechFastLombardia 資金入札 (POR FESR 2014-2020) に従ってこの革新的なプロジェクトに参加しました。つまり、同社は金属不活性ガス (MIG) 溶接システムをベースとした WAAM 3D 印刷ソリューションを使用して、軽量アルミニウム合金 (AL2319) 製の加圧タンクを開発してきたのです。付加製造の使用により、従来の繊維巻き取りプロセスに比べて、より複雑で最適化された設計、材料の無駄の低減、優れた軽量化など、いくつかの利点がもたらされました。重量の軽減は、衛星打ち上げに関連する燃料と推進剤のコストを大幅に削減し、宇宙船打ち上げ時の排気ガスの排出を削減できるため、この用途では特に重要です。 Caracol の WAAM プロセスでは、部品を 1 つの部品として印刷することで生産も簡素化されます。これにより、シェル、コア、マンドレル、継手などを組み立てる必要がなくなり、リードタイムが大幅に短縮されます。
この金属付加製造プロジェクトは、別のレベルでも重要です。カラコル氏の説明によると、プロジェクトのパートナーは、ソフトウェア、制御、自動化を組み合わせて、金属航空宇宙部品を作成するエンドツーエンドのプロセスを管理するための「デジタルプロセス」も開発しました。このデジタルプロセスにより、エンドユーザーは「繰り返し性が保証された高度に自動化された効率的なワークフローで各プロセス段階を制御できるようになり、WAAM テクノロジーは従来の製造方法に代わる効果的で効率的な方法になります。」

航空宇宙におけるLFAMの課題と機会
Caracol の複合材料および金属材料向け LFAM ソリューションは、航空宇宙分野の付加製造のメガトレンドに適合します。業界は大型 AM にも同様に関心を持っており、AM ベンダーと協力して、テクノロジーの実装における既存の制限や課題を克服し、そのメリットと影響を最大化することに取り組んでいます。
今日の最大の課題の 1 つは、LFAM や、より広義の付加製造技術に関連する技術標準と認証方法の欠如です。 Caracol 氏は次のように語っています。「付加製造ハードウェアには、品質と一貫性を確保するための堅牢な品質管理と認定および認証手順が必要です。航空宇宙用途の付加製造コンポーネントの再現性、信頼性、品質を確保するには、業界全体で標準を改良し、合意する必要があります。」
言い換えれば、LFAM の技術を航空機構造部品の製造に完全に適用するには、認証プロセスが必要です。これらの認証プロセスを確立する際の主な課題は、詳細な特性評価や AM プロパティデータベースの欠如など、いくつかの要因に関連しています。幸いなことに、ISO と ASTM は、AM サプライヤーが航空宇宙アプリケーションの厳しい要件を満たすのに役立つさまざまな AM 標準を開発および進化させています。たとえば、Caracol の Heron AM プロセスは AS/EN 9100 認証を取得しており、航空宇宙用途の生産に必要な厳格な品質基準を満たしていることが保証されています。

材料の特性評価も、特に 3D プリント複合材料においては対処が必要な重要な問題です。従来製造された複合材料は、多くの場合金属の軽量代替品として、1980 年代以降、民間航空および商業航空に変革をもたらしてきました。したがって、複合材料を 3D プリントする能力は、材料の無駄を減らし、最適化された設計を通じて部品をさらに軽量化することで、航空機メーカーにさらなる機会をもたらすことができます。複合部品をより迅速かつ小ロットでコスト効率よく生産できることは言うまでもありません。この分野でのさらなる標準化と検証により、複合材料の LFAM は広く普及し、非常に有利な航空宇宙ソリューションになる可能性があります。
最終的には、これらの課題に対処することで、LFAM プラットフォームは航空宇宙用途でますます実現可能となり、より幅広い航空機 OEM がこのテクノロジーのメリットを享受できるようになります。これらの利点には、材料の節約と軽量化による燃料消費量の削減、パフォーマンスを最適化するより複雑な設計、組み立てや品質保証などの製造後の手順を簡素化するコンポーネントの統合、より柔軟な製造能力、そして最終的には納期の短縮と製造コストの削減が含まれます。