積層造形技術は航空機エンジンへの負担をどのように軽減するのでしょうか?

出典：2つのエンジンのパワーが先

3D プリント技術は、ラピッドプロトタイピングの独自の手段として、レーザービームや電子ビームなどをエネルギー媒体として使用し、真空または不活性ガス保護環境でさまざまな金属、樹脂、セラミック材料を正確に溶かします。この技術は、3D モデルの精密な階層化計画を通じて、溶融材料を層ごとに積み重ね、最終的に完成品を構築します。その大きな利点としては、コスト削減、ニアネットシェイプのネット成形、ポータブル生産、幅広い製品適応性などが挙げられます。

特に注目すべきは、3D プリントの柔軟性の高さが、航空機エンジン部品の製造における多くの課題と一致する、大型で高精度かつ複雑な構造の製造の課題に対処する上で並外れた能力を発揮するということです。

航空機エンジンの構造と構成部品の特徴
ガスタービンエンジンの構造は複雑で精巧です。主に、吸気コンプレッサー、燃焼室、タービン、テールノズルの5つのコア部品で構成されています。さらに、燃料システム、潤滑油システム、電気システム、空気システム、補助伝動システムなどの補助部品も組み込まれています。

航空機エンジンの構造は驚くべきもので、部品の数は2万～3万点にも及び、種類も多岐にわたります。構造形式によって、シャフト、ディスク、ドラム、リングケーシング、ボックス型ケーシング、ブレードなど、大まかにいくつかの種類に分けられます。

シャフト部品には、ファンシャフト、コンプレッサーシャフト、タービンシャフトなどの主要部品が含まれます。ディスク部品には、主にコンプレッサーディスクとタービンディスクが含まれます。ドラム部品には、ファン/ブーストステージ一体型ドラム、高圧コンプレッサー溶接ドラムなどが含まれます。環状ケーシングシリーズには、吸気ケーシング、コンプレッサーケーシング、燃焼室ケーシングなどの重要な部品が含まれます。ボックス型ケーシングには、中央トランスミッションケーシング、アクセサリトランスミッションケーシング、潤滑油ポンプケーシングなどが含まれます。ブレードは、主要部品の1つとして、ファンブレード、コンプレッサーブレード、タービンブレードに分かれており、高温高圧環境で重要な役割を果たします。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

部品の注目すべき特徴:
サイズが大きく、形状も複雑です。たとえば、ファンブレードはサイズが大きいだけでなく、不規則な曲線を描いています。タービンブレードには、効率的な冷却を実現するために、内部に複雑な冷却チャネルが設計されています。

材料加工は難しいです。航空機エンジンは過酷な環境で作動する必要があるため、その部品は主にチタン合金やニッケル基高温合金などの高強度で加工が難しい材料で作られています。その多くは薄肉部品であり、加工中に非常に変形しやすいです。

製造サイクルが長く、コストが高く、構造が複雑で、材料要件が厳しいため、製造プロセスは煩雑で時間がかかり、労働集約的になります。

部品修理<br /> 航空機エンジンは、極度の高温・高圧環境下で継続的に作動しており、コンプレッサーブレードやタービンブレードなどの主要部品は、焼損、亀裂、異物衝突などの損傷を受けやすくなっています。これらのコア部品の迅速かつ低コストの再生製造技術、特に3Dプリント技術の活用は、常に西側諸国による技術封鎖の焦点であり、わが国が早急に突破しなければならない技術的なボトルネックでもある。特に輸入エンジンは外国の技術封鎖の対象となっており、これらの主要部品が廃棄されると、高額な費用をかけてしか交換できないことが多々あります。

しかし、世界には成功例もいくつかある。例えば、米国のオプトメック・デザイン社はレーザー溶融堆積（LMD）技術を用いてT700エンジンの一体型ブレードディスクの修復に成功した。ドイツのMTU社もLMD技術によってタービンブレードクラウンの正確な幾何学的寸法を復元した。また、スイス・ローザンヌ工科大学のW・クルツ教授のチームは、高温合金単結晶ブレードのLMD技術修復を実現した。

中国では、研究者らが損傷した航空機エンジン部品の修復分野でLMD技術の研究に積極的に取り組んでおり、大きな進歩を遂げている。

部品の直接製造<br /> 1979 年に、米国のユナイテッドテクノロジーズリサーチセンターは、航空機エンジンのタービンディスクの製造に直接積層造形技術を使用するという革新的なコンセプトを初めて提案しました。この先進的なコンセプトはすぐに業界で大きな反響を呼び、航空エンジン部品の製造における 3D プリント技術の幅広い応用を促進しました。 20 世紀末には、国際的に有名なエンジンメーカーの多くが 3D プリント技術を自社の製造プロセスに取り入れ、航空機エンジン部品の 3D プリントがトレンドになりました。

その中で、英国のロールス・ロイス社は、3Dプリント技術における優れた成果により、TrentXWB-97エンジンのフロントベアリングケースの印刷に成功しました。受信機はチタン合金製で、構造が複雑でサイズも大きく、1500mm x 500mmの仕様に達します。ロールス・ロイス社は3Dプリント技術により、製造時間を30%大幅に短縮しただけでなく、ケーシングの地上設置テストも成功裏に完了し、航空機エンジン製造における3Dプリント技術の信頼性をさらに検証しました。

同時に、GE は LEAP-1A 航空機エンジンの燃料ノズルの製造にも SLM 技術を使用しています。この革新的な対策により、類似製品と比較してエンジンの燃費が 15% 向上し、生産サイクルが大幅に短縮され、生産コストが 50% 削減されました。さらに、シーメンス、サフラン・エンジン、ユーロKもこれに追随し、3Dプリント技術を燃料ノズルの製造に応用し、この技術の普及と発展をさらに促進しました。

ドイツの航空宇宙エンジン企業MTUも遅れをとるつもりはない。同社は初めて3Dプリント技術を使用して、PW1100G-JMエンジンの低圧タービン部分にニッケルベースの高温合金ボアスコープスリーブを製造した。この成功事例は、航空機エンジン製造における 3D プリント技術の大きな可能性を実証しただけでなく、将来的にさらに多くの部品に 3D プリントを適用するための強固な基盤を築きました。
図1 積層造形法で製造できる航空機エンジン部品の模式図。近年、中国は3Dプリント技術を航空機エンジン部品の製造に応用する分野で大きな進歩を遂げている。ほとんどの研究はまだ基礎調査と地上試験の段階にあるが、いくつかの成果は設置によって検証に成功している。例えば、選択的レーザー溶融（SLM）技術により、航空機エンジンのチタン合金ダクトエルボの製造に成功し、設置基準を満たすようにサブトラクティブ処理を行った後、この部品が特定のタイプのUAV航空機エンジンに実際に適用されていることが検証されました。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

さらに、3Dプリント技術は、燃料と潤滑油のパイプラインを統合し、複雑な構造を持つターボシャフトエンジンの複雑なアクセサリトランスミッションケースの製造にも使用されています。プロセステスト後、その粗さは従来の鋳造品よりも優れており、密閉性能は使用要件を完全に満たしています。

一部の研究者は、レーザー溶融堆積（LMD）プロセスを使用して航空エンジンブレードのラピッドプロトタイピングを行う方法を提案し、プロセスパラメータが成形品質と効率に与える影響について詳細な分析を実施しました。同時に、我が国はタービンガイドブレードのブランク構造も完成させており、その機械的特性は基準を満たしているものの、外形寸法についてはさらに加工して改善する必要がある。これらの成果は、航空エンジン部品の製造における3Dプリント技術の応用において中国にとって確かな前進を示すものである。

さらに、一連の成果がうまくインストールされ、適用されました。

ブレードコアとセンシング部品の樹脂モデルの製造
3D プリント技術は、部品の修理や直接製造に加え、航空エンジンの分野でも、敏感な部品の測定、ブレードコア、樹脂モデルの製造など、さまざまな側面をカバーする幅広い潜在的用途を示しています。テストの重要な段階では、エンジンパラメータの正確な測定が不可欠であり、これらの測定センシングコンポーネントの構造は複雑であることが多いです。

3D プリント技術を導入することで、これらの複雑な部品の研究開発サイクルが大幅に短縮されるだけでなく、部品の軽量化も実現されます。 3D プリント技術は、航空機エンジンの圧力測定センサー部品の製造に成功しました。厳格な評価の後、その性能は国家軍事基準の要件を満たしていることが証明されました。これは、航空機エンジン試験部品の製造分野における 3D プリントの初期の成功を示し、将来的にはより広範な応用の見通しを告げています。

さらに、航空機エンジンの性能が向上し続けるにつれて、タービンブレードの動作環境はますます過酷になり、材料の融点や冷却チャネルの構造に対する要件がさらに厳しくなっています。従来のインベストメント鋳造技術では、非常に複雑な冷却チャネルに対応できませんが、3D 印刷技術、特にステレオリソグラフィー (SLA) は、セラミック鋳造コアの製造に革新的なソリューションを提供します。

SLA テクノロジーは、材料の各層の凝固を正確に制御することで、複雑な内部構造を持つセラミックコアを製造し、現代の航空機エンジンブレードの製造ニーズを満たすことができます。この技術の応用は、航空エンジン技術の進歩を促進するだけでなく、将来のより高性能なエンジンの研究開発のための強固な基盤を築くことにもなります。

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