航空宇宙産業における付加製造の応用

出典：中国複合材

航空宇宙産業では、精度、安全性、信頼性に対する厳しい要件に基づいて、あらゆる段階で品質が求められます。旅客輸送量が倍増し、地球の生態系への影響を削減する圧力がかつてないほど高まる中、航空宇宙産業および航空産業のメーカーは、特に軽量部品の製造に重点を置き、21 世紀の航空の需要を満たす必要があります。しかし、近道はなく、メーカーは、航空機が飛行する前に厳格な認証を取得しながら、より短い時間枠でより多くの軽量の航空機を設計および製造するための新しい方法を常に模索しています。

より軽量な部品に対する需要により、航空機部品の製造方法に対する需要も高まっています。たとえば、先進的な複合材料や積層造形 (AM) などの新しいプロセスの使用などが挙げられます。しかし、新しい設計は認証に新たな課題をもたらし、航空機メーカーは通常、独自のワークフローを使用して設計認証の障害に対処しますが、これは簡単な作業ではなく、途中でエラーに対処することはもちろん、かなりの時間 (場合によっては数か月) かかることがあります。航空宇宙規格を調べて認証を取得するために必要なテストを決定するのは、面倒で時間のかかる作業です。エンジニアリングと生産技術の進歩によりイノベーションが容易になるにつれて、認証活動を合理化する必要性が必然的に生じます。

AMの課題 これらの課題に対処するために、航空宇宙メーカーは、従来のプロセスでは製造できない高度な複合材料を含むさまざまな材料から軽量コンポーネントを作成するために、積層造形をますます使用しています。付加製造を利用することで材料の使用を最小限に抑え、廃棄物を減らし、製造プロセス中のエネルギー消費を削減します。

積層造形法を使用して軽量コンポーネントを設計するには、部品や結合されたコンポーネントの外観に関する先入観に制限されることなく、エンジニアが既存の構造を完全に再考できるジェネレーティブデザインアプローチが必要です。部品のシミュレーションを仮想的に作成することで、原材料を消費することなく物理的な試行回数を削減します。また、エンジニアは効率的なプロセスが達成されるまで製造プロセスを迅速に調整できるようになります。

ジェネレーティブデザインは、何千もの CAD 設計を単純に作成する段階から、コンポーネントの負荷、設計エンベロープ、強度または剛性の目標に基づいて必要なエンジニアリング特性を実現する軽量コンポーネントを迅速に設計するエンジニアリングの「副操縦士」として機能する段階へと進化しました。
△ジェネレーティブデザインは、軽量部品を迅速に設計するためのエンジニアリングの「副操縦士」として機能します。ジェネレーティブデザインのパフォーマンス上の利点は非常に大きい場合があります。一例として、Hexagon が Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG および Trumpf のために行っている衛星マウントの作業が挙げられます。衛星マウントでは、重量が 1 キログラム増えるごとに宇宙への輸送コストが高くなるため、軽量構造が特に重要です。ヘキサゴンのテクノロジーを活用して高度に洗練された新しいデザインを生み出し、最大限の軽量構造を実現し、運用要件に完全に適合して設計されました。ジェネレーティブデザインを使用してブラケットの形状を再設計し、重量を 55% 削減し、剛性を 79% 向上させました。このような高精度のアプリケーションでは、プロセスシミュレーションは、Powder Bed Fusion (PBF) プロセス中に発生する熱力学的問題を補正する上で重要な役割を果たします。

たとえば、仮想プリントを作成すると製造プロセスがシミュレートされ、物理的な試行回数が減るため、原材料の使用要件がなくなります。コンピューターでデザインを印刷し、失敗した場合はプロセスが機能するまで変更を加えます。たとえば、Safran は Simufact Additive を使用して、PPBF で製造される金属部品の積層造形プロセスを仮想的に開発および検証し、物理的な反復作業を削減しています。

複合材料により、軽量化と革新の可能性がさらに高まります。エンジニアに必要なのは、部品が意図したとおりに機能することを保証するために必要な答えを提供するデジタルツールだけです。これは異方性材料の場合は少し複雑で、材料の微細構造により金属よりも優れた性能を発揮しますが、意図した用途で部品がどのように機能するかを予測することは非常に困難です。

Hexagon と、3D プリントおよび高度な製造サービスの革新的なリーダーである Stratasys とのコラボレーションにより、エンジニアは航空宇宙承認済みの材料の詳細なモデルと航空宇宙プリンターのツールパスにアクセスできるようになり、設計エンジニアはそれを使用してそれらの材料で印刷された部品のパフォーマンスをシミュレートできるようになりました。

コンピュータ支援エンジニアリング (CAE) ツールを使用すると、エンジニアリングチームは、コストのかかる過剰エンジニアリングや材料の使用を回避しながら、機械加工された金属部品を、強化ポリマーの特性を最大限に活用した軽量コンポーネントに確実に置き換えることができます。

このような厳密に検証された材料挙動シミュレーションを使用することで、航空宇宙メーカーは材料の特性に関する独自の洞察から恩恵を受けることができ、規制の厳しい航空宇宙部門にポリマー 3D プリントの利点をもたらすことができます。ほとんどの航空宇宙アプリケーションでは、設計プロセスを加速し、より最適化された最終結果を提供し、最終的に飛行認証を取得するために、データと設計段階自体に関与するエンジニアとのより緊密な接続が必要です。
航空業界における付加製造の可能性

持続可能性を向上させるために、エンジン部品などの高度に最適化された部品を製造するための積層造形の使用が増加しています。ほとんどの航空宇宙アプリケーションでは、AM チームは設計段階でデータやエンジニアとの接続を増やして、エンジニアリングのパフォーマンスを検証し、最終的に飛行認証をより早く取得する必要があります。

たとえば、製造設計 (DfAM) のすべてのステップを連携させることができるようになったため、エンジニアはプロセス調整や変形の補正を行いながら、部品のトポロジを最適化し、これらの「バイオニック」ジオメトリに必要なサポート構造を生成できるようになりました。

△DfAM を通じて、エンジニアは部品のトポロジを最適化できます。ただし、航空宇宙での使用と飛行準備に向けて前進するには、メーカーは上流と下流の両方でより多くのデータと人材を結び付けて製造設計を検証し、必要なプロセス保証とプロセス再現性を備えた有効な飛行部品を確実に提供する必要があります。

「Nexus」のような新しい共同デジタルリアリティプラットフォームにより、エンジニアリングチームは、DfAM ソリューションが業界にもたらす結束を拡張し、有限要素解析、プロセス解析、トレーサビリティの「ビルディングブロック」を提供できるようになります。これにより、メーカーはエンジニアリング検証を実行し、プロセスをより迅速に改善して、最初から正しく実行できるようになります。これにより、貴重な時間とリソースを節約しながら、持続可能な航空と新しいモビリティコンセプトの認証をより迅速に達成できます。

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