ドローン：3Dプリントはすでに部品表の1％を占めており、将来的には90％に達する。GA-ASIの10,000レベルの部品が本格的に生産される

南極熊の紹介: ドローンの分野では、3D プリントは強力な応用上の利点と可能性を示しています。現在、アトミック・エアロシステムズのドローンでは、3Dプリント部品が部品表（BOM）の1％を占めており、将来的には小型ドローンではこの数字が最大90％に達すると予想されています。
General Atomics Aeronautical Systems, Inc. (GA-ASI) は、遠隔操縦航空機 (RPA) システムの設計および製造をリードする企業です。 AMUG 2023カンファレンスでのプレゼンテーションで、GA-ASIの積層造形マネージャーであるスティーブ・フォーニエ氏は、ポリマー（FDM、SLS）から金属（L-PBF、DED-W）、複合材料（LSAM、BJP）まで、同社の積層造形事業の範囲を紹介しました。
GA-ASI の次のステップは、Divergent の専門家や先駆者と協力して DAPS 機能を実装し、完全なワークフロー統合を実現することです。「付加製造の未来は明るい」とフルニエ氏は語った。

積層造形に焦点を当てる
2021 年、General Atomics Aeronautical Systems は、完全に機能し飛行可能な付加製造アプリケーション、研究開発、大規模ツール、次世代飛行ハードウェアを使用して、GA-ASI の無人航空システム (UAS) ファミリーの迅速な製造に重点を置いた新しい付加設計および製造 (AD&M) センターオブエクセレンスを設立しました。
GA-ASI は過去 10 年間にわたり、付加製造技術の導入に投資し、5 年前に専用の付加製造事業部門を設立しました。フルニエ氏は、AM 活動の集中化が、統合、アプリケーションの産業化、飛行ハードウェアの製造、研究開発リスクの削減、知識移転における AM の成功の強力な触媒であることが証明されていると説明しています。

GA-ASI は、さまざまな付加製造方法を使用して製造する 350 を超える航空部品を認証しています。同社は、航空部品の積層造形アプリケーションの開発と検証のため、積層造形エコシステムを拡大しています。このエコシステムは、積層造形アプリケーションをプロトタイプ段階 (一度印刷) から生産レベル段階 (時間をかけて正しく印刷) に進めるために必要な主要要素で構成されています。
フルニエ氏は、GA-ASI が現在、年間約 7,500 個の部品を積層製造していることを明らかにしました。全体として、同社は最新の UAS プラットフォームである MQ-9B SkyGuardian のツールコストを 200 万ドル以上節約し、航空機 1 機あたりの従来のコストを 30 万ドル以上節約しました (この航空機プラットフォームには、約 240 個の付加製造部品があります)。 AM アプリケーションの数は AM エコシステムの推進により急速に増加し続けており、量産航空機には 10,000 を超える AM コンポーネントが搭載されています。特に、MQ-9B スカイガーディアンおよびシーガーディアンモデルは、積層造形部品の使用において業界をリードしています。積層造形部品の総飛行時間は30万時間を超えました。

GA-ASI 社長の David R. Alexander 氏は、次のように説明しています。「GA-ASI は、AM テクノロジーを設計、運用、製品に導入、加速、統合する方法を常に模索しています。当社の AD&M Center of Excellence では、AM アプリケーションの構造化された厳格な認定プロセスを採用しており、従来の製造方法に比べて有利なビジネスケースを実現しています。当社の AM 専門家チームは、包括的で総合的なアプローチを通じて、AM 部品の採用を推進し、航空機をアップグレードして最終的にお客様に利益をもたらすよう取り組んでいます。」
未来への基盤
GA-ASI の付加製造エコシステムは、社内で繰り返し可能で信頼性の高い生産グレードの 3D プリントの開発を促進しますが、これは見た目ほど簡単ではありません。 GA-ASI の付加製造基盤エコシステムは、材料の実現可能性と同等性から研究開発や設備投資資金まで、12 種類の異なる要素に基づいています。

これに加えて、Divergent との提携により、完全に自動化された UAS 生産、エコシステム制御プロセス、アプリケーションチームの設立、拡張のための明確なロードマップを実現し、GA-ASI で 10,000 個の積層製造部品をフル生産する動きも進みました。 GA-ASI は AD&M Center of Excellence でいくつかの反復的な生産活動を行っていますが、迅速な対応と低速製造のニーズに応えるには、複雑な最終用途の熱可塑性プラスチックや金属の部品の過剰生産を可能にする堅牢な AM サプライチェーンの開発が必要です。
Fournier 氏は次のように説明しています。「AM エコシステムの深さは AM アプリケーションごとに異なり、アプリケーションのミッションの重要性、耐空性認定機関の認定要件、品質保証/プロセス制御の可用性、アプリケーションの実績などの側面によって決まります。」
具体的には、GA-ASI では、製品が考案される前、つまり製品ライフサイクルの非常に早い段階から積層造形の使用が開始されます。純粋にビジネス分析レベルでは、P-win の増加に役立ちます。コンセプト段階では、市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。また、設計段階での高度な統合も可能になります。実際の試作品では、ツールレス製造が可能になります。生産段階に関しては、ツールレス製造と高度な統合を通じて、付加製造が LRIP (低率初期生産) コストの削減に重要な役割を果たします。 GA-ASI の製品の多くでは、これらの利点は量産段階を通じて適用され続け、特に既存製品のライフサイクル全体にわたるメンテナンスの面でシステムの可用性が向上します。統合レベルと部品の複雑性が高くなるほど、積層造形の価値提案は明確になります。現在、積層造形は部品表 (BOM) の約 1% を占めていますが、大型プラットフォームでは BOM の 5%、小型 UAS では 30% ～ 90% に増やすことを目標としています。

積層造形について詳しくはこちら<br /> 生産される AM 部品の種類という点では、これは結局何を意味するのでしょうか?完全に熱可塑性プラスチックをベースとしたポリマー付加製造技術に関しては、FDM は主に部品の統合と交換に使用されます。これは、積層部品の交換、大型の適合空気管理システム、積層ツール、適応型地上制御機器の作成を意味しました。将来の用途には、燃料適合性（耐薬品性）材料や、金属代替用途の連続繊維強化 3D プリント部品などが含まれます。
ポリマー PBF アプリケーション (現在は SLS に限定) にはラミネート部品の変換も含まれており、テクノロジーの優れた幾何学的自由度を活用して、複雑なマニホールド、コンフォーマルツール、大型ダクトアセンブリの製造も可能になります。今後の開発では、より大規模なアセンブリに重点が置かれることになります。特に興味深いアプリケーションの 1 つは、HexAM テクノロジを使用して PEKK ベースの複合材料 (元々 Oxford Performance Materials によって開発) を選択的にレーザー焼結し、外側および内側のモールドライン (OML および IML) を製造する Hexcel とのコラボレーションです。積層造形によって実現される複雑な形状により、設計の自由度が向上し、製造プロセスが簡素化され、UAV システムのパフォーマンスと操作性が向上します。
金属分野では、LPBF は主に部品の統合と交換のソリューションとして見られており、ラミネートから AM への変換、統合流体マニホールド、OML (外側モールドライン) フェアリング、エンジンおよび排気部品に応用されています。もう一つの非常に興味深いアプリケーションは、統合熱交換器 (HX) です。 GA-ASI は、Conflux Technology と提携して、MQ-9B SkyGuardian および SeaGuardian 用の新しい燃料油熱交換器 (FOHE) の設計と製造を行っています。両社は2018年以降、合計で4つの異なるAMプロジェクトに取り組んでおり、最近では、さまざまなGA-ASI UAVプラットフォームで使用される高放熱ライン交換ユニット（LRU）に追加の冷却能力を提供するコールドプレート熱交換器を開発しました。金属L-PBFアプリケーションの今後の方向性としては、さらなる統合、

金属 DED 技術は、ワイヤーを原料として使用し、大型部品の製造コストを大幅に削減できる重要な技術と考えられています。 GA-ASI は Norsk Titanium と協力して、クラス A およびクラス B チタン部品の AM エコシステムの認定とサプライヤー認定を完了しています。その他の DED パートナーには、複雑な INVAR および鋼積層ツールアプリケーションを専門とする Lincoln Electric が含まれます。今後の成長目標は、ニッケル・クロム・鉄合金材料のさらなる応用です。
GA-ASI の現在の積層造形アプリケーションの多くは、主に金型用ですが、複合材 (LSAM) や砂 (バインダージェッティング) の大型 3D 印刷技術にも重点を置いています。 Thermwood 社が製造する LSAM 部品は、複合ラミネート用の RT ミリングマシン固定具に使用されますが、長さが最大 5 メートルになる床アプリケーションなどの大型最終用途コンポーネントにも使用されます。将来的には、これらのコンポーネントのサイズは 6 ～ 13 メートルの長さにまで拡大する可能性があります。サンドバインダージェッティングシステムを使用すると、金型とフラッシングのコストを最大2〜3倍節約でき、将来的には特定の要件を満たすマスターとカスタマイズされたプリンターの製造を目指しています。

付加製造は究極の目標ではありません。デジタル設計と製造が目的です。 AM 業界の誰もが、AM を中核とする完全にデジタル化されたエンドツーエンドの製造プロセスの実装には、克服すべき多くの課題が伴うことをよく知っています。ワークフローは、機能/AM/アセンブリ設計から始まり、印刷と仕上げに続き、迅速な部品検査と品質に続き、最後に完全な自動化のためのプロセス統合を実装する必要があります。
こうした課題の多くに対処するため、GA-ASI は Divergent Technologies と正式に提携しました。同社は、車両構造の設計、製造、組み立てに、Divergent Adaptive Production System (DAPS) と呼ばれるデータ駆動型のアプローチを開発しました。 GA-ASI は現在、この機能を検証し、自社の UAS プラットフォームの一部に適用することを検討しています。

共同開発プロジェクトは2022年に開始され、複数のプラットフォームにわたるより強力な戦略的パートナーシップを確立しました。両社は、モデルベース、AI 駆動、トポロジー最適化設計を使用して、完全に統合された小型 (<500 ポンド) UAV 航空構造を実現する 2 つのプロジェクトを完了しました。統合金属構造は 3D プリントされ (印刷時間はノードあたり 13 時間未満)、重量目標を達成しながら統合部品の数を 95% 以上削減しました。
DAPS プロセスでは、小型無人航空システム (SUAS) の完全なデジタルツインを作成し、印刷された各コンポーネントを検査します。その後、完全に自動化され、ツールが不要なロボットによる組み立てプロセスが実行され、完了までに 20 分もかかりません。このプロセスにより、チームは 2 日足らずで印刷可能な SUAS 設計から完全に組み立てられた納品可能な機体までを完成させることができました。 GA-ASI は、この機能により、将来的には戦闘員を支援するための近接戦闘ゾーンランプ機能が可能になると予想しています。
この革新的な設計および製造アプローチにより、当然のことながら、付加製造技術を排他的に活用するわけではない高度に統合された重量および性能が最適化された設計が実現し、機体の従来のコストを大幅に削減すると同時に、複数のプラットフォームバリアントに対してツールを使わない迅速な反復設計方法論を提供します。フルニエ氏は次のように結論付けました。「適切なエコシステムがあれば、防衛用ドローンと民間用ドローンの両方で産業生産レベルの付加製造が可能になります。ただし、付加製造は最終目標ではなく、完全にデジタル化された製造プロセスのワークフローをサポートする実現技術スイートであるべきです。」

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