3D プリントが航空業界を永遠に変える

出典: 36Kr

3Dプリントは数年前からとても人気がありますが、人々の生活の中ではあまり使われていないようですね。実際、3Dプリント技術は航空分野にも巧妙に浸透しており、目に見える場所や見えない場所ですでに重要な役割を果たしています。この記事は、Hugh R. McArthur が執筆した Medium からの翻訳であり、元のタイトルは「3D プリントは航空業界を永遠に変えることができるか、また変えることができないか」です。

約2年前、GE Aviationは3Dプリントされたジェット燃料ノズルの3万個目の納入を祝いました。

当時、3Dプリンティングと積層造形（AM）技術が話題となっていました。今では、かつてはテクノロジーメディアの寵児だった 3D プリンティングに代わって、ブロックチェーン、バダム TSSS などの新しい人気用語が使われるようになりました。

しかし、特定の用途以外では、3D プリント技術の影響は今日でもまだ限られており、クライアント向けに高価なプラットフォームを構築するコンサルティング会社に限定されていることが多いです。今日は、液体金属で部品を作るのは（いや、実際はそうでもないかもしれないが）、それでもかなりクールだということを思い出してもらいたい。この記事では、3D プリント技術が航空業界のサプライチェーンにどのような革命をもたらすかを探ります。

まず明確に定義する サプライチェーンは通常、興味深い話題ではありません。また、一部の人にとっては、「ロジスティクス」という言葉だけで頭が痛くなるほどです。だからこそ、その後の探求が意味を成すためには、明確な定義から始めなければならないと私は主張します。どうか我慢してください。少なくとも、状況はこれ以上悪くなることはないということですよね?そうだといい。

上の図は、大幅に簡略化されていますが、今日の航空業界の一般的なサプライチェーンの概要を示しています。航空業界へのサプライヤーは、小型部品を製造する OEM (相手先ブランド供給) から、ロールスロイスエンジンを製造するような大規模な部品サプライヤーまで多岐にわたります。ボーイングやエアバスなどの航空機メーカーもこれに続いた。サプライチェーンのさらに下流には「顧客」、つまりブリティッシュ・エアウェイズやフェデックスなどの航空会社や海運会社がいます。これらの「顧客」には、飛行機で旅行する乗客や航空輸送を必要とする顧客など、独自の顧客が確かに存在します。メンテナンス、修理、オーバーホール (MRO) 企業は、航空機運航者に不可欠なサービスを提供することでサプライチェーンを完成させます。 MRO 企業は航空業界にとって非常に重要であり、実際、付加製造技術の広範な導入から莫大な利益を得る可能性が最も高い企業です。ただし、MRO とその革新方法に関する議論は、より技術的でわかりにくい可能性があるため、ここでは詳しく説明しません。

二酸化炭素排出量を削減する さまざまな変数に応じて、燃料費は航空機運航者の運用経費の 30 ～ 50% を占めることがあります。これは問題です。特に、国際航空運送協会（IATA）が2018年に、ジェット燃料価格は今後10年間で持続的に急激に上昇すると予測していたためです。航空会社の運営コストの増加は、航空運賃の値上げが私たち消費者に転嫁されることも意味します。

幸いなことに、3D プリント技術の固有の特性により、航空業界の燃料効率の向上に役立ちます。まず、3D プリント技術では、小型部品をボルトで固定したり溶接したりする必要がなく (従来の製造方法)、航空機のドアなどの中型から大型の部品全体を製造できます。余分な材料を少なくすることで、構造の完全性を損なうことなく、より軽量で薄い部品を作成できます。

プロフェッショナル向けソフトウェアおよびモデルの大手プロバイダーであるオートデスクは最近、積層造形の威力を実証する概念実証を作成しました。オートデスクは、従来の鋳造技術と 3D プリント技術を融合することで、従来の製品よりも平均 56 パーセント軽量なエコノミークラスのシートフレームのプロトタイプを作成することができました。エアバスA380にこのタイプの座席が装備されれば、1機あたり年間合計63トンの燃料を節約でき、同じ期間に最大190.1トンの二酸化炭素排出量も削減できる。簡単に言えば、これは年間平均約12万台の自動車の二酸化炭素排出量に相当します。そして、これらすべては、飛行機の座席をいくつか交換するだけで実現できます。

オートデスクの3Dプリント技術で製造されたエコノミークラスの座席は、燃料節約に役立つと期待されています。

しかし、それだけではありません。

この記事の冒頭で触れた GE の 3D プリントジェット燃料ノズルを覚えていますか?彼らは、この部分がどれだけ利益を生むかをただ祝っていたわけではない。実際、このノズルの製造の成功は航空技術における画期的な進歩となりました。

自動車エンジンと同様に、ジェットエンジンにおける燃焼の完全性はエンジンの効率に大きく影響します。現在、燃焼の完全性を向上させる方法の 1 つは、燃焼室内で燃料をより均一に分配することです。燃料の分配は、前述の燃料ノズルの役割です。 3D プリントされた LEAP ノズルは、25% 軽量で 5 倍の耐久性を備えているだけでなく、燃焼室への燃料噴射を極めて効率的にする非常に複雑な流路も備えています。 3D プリントされたノズルの効果とその他の設計改良により、LEAP エンジンは前モデルよりも燃費が 15 パーセント向上しました。

AM の実験と実装を継続することで、多くの有益な結果が得られることを期待しています。燃料費、炭素排出量、全体的な旅行価格の上昇はすべて、付加製造技術によって部分的に抑制することができます。さらに、メリットは他にもあります。

一部のサプライヤーは苦戦するだろう すべての航空機部品の製造は、まず概念化と試作を行う必要があり、積層造形はこれらのプロセスを大幅に変革する可能性があります。

従来の金属製造方法には、金属成形、鋳造、機械加工、溶接などがあり、それぞれに多くの時間、特殊な設備、技術的能力が必要です。さらに、最適な生産方法を見つけるには時間がかかります。既成の例として、GE の LEAP エンジン燃料ノズルは、その幾何学的形状の複雑さのため、開発段階で 8 回の鋳造試行で失敗しました。

多くの場合、新しい設計を構築しようとすると、製造業者は既存のサプライヤーが生産能力の制限を解決するのを待つ必要があります。また、革新的な部品を生産するために必要な能力を備えたまったく新しいサプライヤーを見つけなければならない場合もあります。その結果、メーカーは新しい部品の構想から実用的なプロトタイプの納品まで長い時間待たなければならないことがよくあります。付加製造は、このオリジナルの設計と試作プロセスを大幅に混乱させる可能性があります。

基本的に、積層造形は、材料を取り除くのではなく、材料の層を追加して最終製品を生産することに依存しています。つまり、金属板を正確に切断し、それを再組み立てして新しい翼フラップの設計を形成する方法を見つけるといった、時間のかかるエンジニアリング上の課題を完全に回避できるということです。さらに、付加製造操作には高度なスキルは必要ありません。これにより、テスト用のプロトタイプ部品の製造を完全に社内で行うことも、少数の AM サプライヤーに外注することもできます。これには 2 つの大きな効果があります。

積層造形が新しい部品設計の試作プロセスをどのように促進するか - プラスチック部品の例

まず、一部の航空機部品メーカーは長期的には打撃を受ける可能性があります。付加製造技術により、通常は複数のサプライヤーに分散している従来の製造機能を、1 台の 3D プリンターを備えた小規模なチームに統合できるようになります。例えば、GEは2017年に古いヘリコプターのエンジンを印刷する実験を実施しました。彼らは、従来の製造方法で必要だった 10 ～ 15 社以上のサプライヤーを置き換え、わずか 6 人のエンジニアと 3D プリンターでプロトタイプを製造できることを発見しました。

第二に、大量生産に積層造形を使用するとコストが高くなることが多いですが、複数のサプライヤーを関与させる必要がなければ、新しい設計をテストするためのリードタイムが大幅に短縮されます。画期的な例として、ボーイング社は長さ 17.5 フィート、幅 5.5 フィート、高さ 1.5 フィートの翼トリムとドリルツールをわずか 30 時間で印刷しました。これには「通常の」製造プロセスよりもはるかに短い時間がかかりました。プロトタイプの作成にはさらに長い 3 か月かかりました。設計と実験の時間を大幅に節約できることは積層造形技術の明らかな利点ですが、部品サプライヤーにとっては比較的不利です。

すべてには限界がある 設計リードタイムを短縮すれば、市場投入までの時間も短縮されると考える人もいるかもしれません。また、航空分野における 3D プリント技術の影響により、競争が激化する可能性があるとも言えるでしょう。したがって、全体として、製品のライフサイクルは短縮されます。しかし、それは不可能です。幸福と不幸は、実は各人の物事の見方によって決まるのです。

民間航空機には巨額の資本投資が必要です。したがって、事業者は常に、資産を交換する前に初期コストを正当化するのに十分な収益を生み出したいと考えています。さらに、新型航空機を製造するために、さまざまな国や地域が工場スペース、労働力、専用設備など膨大な資源を投入してきました。多くの場合、これらのリソースは簡単に代替品に変換できず、高価な生産ラインをすべて早期に停止することは不可能です。

しかし、生産技術の不連続性は、生産技術のさらなる革新を促す効果をもたらすことが多い。これは、ルバーズ機械、コルバーン機械、フロートガラスの登場により、ガラス製造業界でも同様に当てはまりました。したがって、3D プリント技術によって生み出される結果は、実験への関心と能力の向上によってもたらされる革新である可能性があります。

航空機に搭載される革新的なアプリケーション 乗客に見える最初の3Dプリント航空機部品は、2018年に登場したA320の頭上コンパートメントに沿って設置された仕切りでした。ここでも、これらのバッフルは従来製造されたバッフルよりも 15% 軽量であるため、直接的な利点として燃費効率が向上します。しかし、さらに興味深いのは、この事件が航空機のカスタマイズにどのような影響を与えるかです。

新しいプラスチック製航空機部品の製造には、多くの場合、カスタム射出成形金型のセットアップ (成形) が必要になりますが、これは複雑で、コストがかかり、時間のかかるプロセスです。射出成形は大規模生産では非常に費用対効果が高くなりますが、小規模生産では単なるお金の無駄になります。これは、生産コストのほとんどが元の金型の製作から発生し、生産量が少ない場合にはスケール効果がないためです。この場合、多くの購入者またはすべての購入者がその機能を望まない限り、航空機メーカーが購入者に高度なカスタマイズを提供することは事実上不可能です。

ただし、上記の隔壁はフィンエアー向けの特注部品として追加されたため、追加コストはほとんど発生しませんでした。付加製造では、射出成形に必要な金型設計、製造、テストの各段階が省略されます。これにより、カスタム部品を少量生産するために必要な時間とコストが大幅に削減されます。ただし、大規模生産の場合、積層造形にかかるコストと時間は従来の成形方法を上回ることを理解する必要があります。これは単位変動コストの上昇によるもので、現在 3D 印刷ソリューションでは一般的な現象です。

異なる生産量における積層造形と射出成形のコストのグラフ比較製造業者や航空会社にとって、生産動向のこの変化により、カスタマイズの拡大が経済的に実現可能になります。ボーイング社は、付加製造により、特に客室の家具、質感、ロゴなどの分野で客室のカスタマイズ性が向上すると考えていると述べた。時間が経つにつれて、徹底的なカスタマイズも可能になるかもしれません。航空会社は、モジュール式の座席コンポーネントと独自の頭上コンパートメントの設計を要求する場合があります。航空会社の乗客は、この発展の最大の受益者となり、航空会社が明確な差別化を図る中で、より豊かな体験とより快適な快適さを享受することになる。

それで結局何が起こるのでしょうか?
最終的には、積層造形の多くの利点がサプライチェーンの下流に波及することになります。付加製造法を用いた部品の実験が容易になることで、製品やサービスの革新が促進されますが、現時点では具体的なメリットを予測することは困難です。しかし、全体としては乗客と航空会社の両方にメリットがあるはずです。より具体的には、重量の軽減と燃費の向上による直接的なメリットにより、他の条件が同じであれば、輸送費全体が間違いなく削減されます。航空輸送業界の競争環境において、航空会社は運営コストの削減を実現し、このコスト削減は航空券価格を通じて乗客に利益をもたらします。

付加製造によって航空機が重力に逆らう UFO に変わる可能性は低いですが、近い将来、飛行時の快適性が向上し、デザインが革新的になり、価格が下がることは確実に期待できます。こうした変化は徐々に、しかし着実に起こり、いつの間にか航空輸送業界は大きく変わっていることでしょう。

翻訳者：張桃

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