専門家のアドバイス: 航空宇宙産業に金属3Dプリントを使用する理由

この投稿は warrior bear によって 2023-3-10 21:38 に最後に編集されました。

はじめに: 航空宇宙産業は、間違いなく積層造形 (AM) 技術を最も早く適用した産業の 1 つです。航空宇宙産業では、部品の軽量化 (強度を確保しながら重量を最適化) の手段として積層造形技術を使用しています。現在、航空宇宙産業における付加製造技術の利用は増加の一途をたどっています。Strategic Market Research のレポートによると、2023 年までに世界の航空宇宙 3D プリント市場は 92 億 3,000 万米ドルに達し、年平均成長率は 20.23% になると予想されています。

ポリマー 3D プリンティングも航空宇宙産業で重要な役割を果たしていますが (特に PEEK や PEKK などの高性能ポリマーの場合)、金属付加製造もこの分野で勢いを増しています。しかし、金属 3D プリント技術は航空宇宙分野にどのように応用できるのでしょうか?それはどのような利点をもたらすのでしょうか?金属 3D プリント部品はどのように認証されますか?これらの疑問に答えるために、Antarctic Bear はこの記事で、積層造形分野の 3 人の専門家による提案をまとめています。その提案は次のとおりです。

最初の専門家は、国際標準化機構 ASTM International のグローバル先進製造プログラム技術オペレーションディレクター、マーティン・ホワイト博士です。ホワイト博士は、ASTM のすべての 3D 印刷技術プロジェクトを監督し、資格や認証の課題からコンポーネントの製造を可能にする材料まで、あらゆることに焦点を当て、標準化を促進し、専門家のトレーニングを提供しています。
2 人目の専門家は、航空宇宙分野の大手金属 3D プリント企業の 1 つである Velo3D のテクニカルセールスエンジニア、ブライアンホークス氏です。彼は航空宇宙産業で約 10 年間勤務し、エンジニアとして合計 20 年間にわたり、熱交換器の設計と複雑な製造に注力してきました。
3人目の専門家は、イートン・エアロスペース社の付加製造部門ディレクター、マイケル・ヨーク氏です。彼は、商業航空宇宙、軍事、宇宙、アフターマーケットのアプリケーションを網羅する、受賞歴のある金属積層造形部品 23 点を扱うプログラムのプロジェクトリーダーです。

△マーティン・ホワイト△ブライアン・ホークス△マイケル・ヨーク
航空宇宙における金属 3D プリントの応用<br /> 前述のように、金属 3D プリントは多くの利点があるため、航空宇宙分野で長い間好まれてきました。この技術モデルは、長年の開発を経て非常に成熟しました。この採用率は、特に航空宇宙業界全体が業界の持続可能性を高める方法を模索していることから、今後数年間でさらに増加すると予想されます。ホワイト博士は、新しい部品を設計する必要があるため、今後数年間で金属 3D プリントの使用が増えるだろうと特に指摘しました。航空宇宙産業が電化や水素などの代替エネルギー源へと移行するにつれ、その時代はすぐに到来するでしょう。注目すべきは、航空機全体の航空構造設計の変更が必要になる可能性が高く、この点で積層造形が重要な利点となる可能性があることです。これらのテクノロジーは、従来の方法では実現できない形状を作成できることで知られており、ユーザーは構造設計、パフォーマンス、安全性を最大限に高めることができます。
さらに、使用できるさまざまな 3D 印刷技術が多数あります。ホワイト博士は、業界で使用されているさまざまな金属付加技術について次のようにコメントしています。「簡単に言うと、すべての金属技術が検討対象です。目標は常に、計画的なコスト削減や性能向上を通じて持続可能なビジネスケースを達成することです。業界は、部品の認定から工業化へと進み、より多くの部品を製造できるようにする必要があります。エンジンでは、高精度の複製（複雑な部品など）に粉末床溶融結合法が使用されていますが、航空宇宙構造では、指向性エネルギー堆積（DED）法の高い堆積速度と大規模な機能の恩恵を受けることがよくあります。」
バインダージェッティングも、一般的に使用されている金属 3D 印刷技術です。マイク・ヨーク氏はさらに次のように認めています。「イートン・エアロスペースでは、レーザー粉末床溶融結合法（アルミニウム、チタン、インコネル、ステンレス鋼）、電子ビーム粉末床溶融結合法（チタン）、金属バインダージェッティング法（ステンレス鋼）などの技術を使用しています。」
さらに、材料も積層造形プロセスの鍵となります。ブライアン・ホークス氏は次のように説明しています。「使用される材料も、用途や使用要件によって異なります。チタンは強度対重量比が高く、これは航空宇宙産業では重要です。軽量の車両は燃料消費が少ないからです。インコネルなどのニッケルベースの超合金は、融点に近い温度で動作できるため、高温環境で使用できます。アルミニウムは熱伝導率が高く、熱交換器などの用途に適しています。一般に、航空宇宙産業で従来の製造方法で広く使用されている材料は、積層造形にも最適です。」
しかし、プロセスが選択され、材料が決定されると、金属 3D プリントは航空宇宙産業全体で多くの革新的な用途に利用できるようになります。ホークス氏はこれを認め、次のようにコメントしています。「高温で動作し、熱伝達を伴う、または流体経路を含むコンポーネントは複雑な構造になっていることが多く、積層造形は、熱交換器、インペラ、渦巻き体など、航空宇宙エンジンの重要な部品に関連するそのようなコンポーネントの製造に最適です。」
ホワイト博士はさらに、昨年のICAM 2022で見られた印象的なアプリケーションのいくつかを指摘しました。これには、エンドアプリケーションコンポーネントが含まれます。たとえば、エアバスは現在、A350 WXBの主翼パイロンの構造部品としてブラケットを作成するために積層造形法を利用しており、航空宇宙大手のボーイングは、ボーイング787の後部キャビンブラケットの製造にノルスクのDEDワイヤ供給技術を採用しました。後者は、材料費と加工時間の削減により、購入から飛行までの率が 85% 減少したことが特に注目に値します。
△エアバスが金属3Dプリント技術を使用して製造したA350 WXBのブラケット（写真提供：エアバス）
航空宇宙産業における金属積層造形の利点と欠点<br /> 前述したように、積層造形は航空宇宙産業に多くの利点をもたらします。これらには、設計の最適化、軽量化、開発アプリケーションの高速化と低コスト化、ツールの排除、コストの削減、そしてもちろん持続可能性などが含まれますが、これらに限定されません。もちろん、これらの利点は航空宇宙産業に限ったものではなく、業界にとって不可欠です。これが、航空宇宙産業が 3D プリントを最も多く導入している産業の一つであり続けている理由です。
軽量化の利点は、強度を最適化しながら部品の重量を軽減できるという点が特に重要です。 Velo3D の Brian Hawkes 氏は、「付加製造により、エンジニアは部品の設計要件を満たす軽量構造を製造できるようになり、航空機の総重量が軽減されるとともに、廃棄物が減るという副次的なメリットも得られます」と述べています。実際、Mike York 氏は、付加製造された部品では 20 ～ 40% の軽量化が一般的であると指摘しています。エンジンなどの複雑な構造に必要な部品の数を削減する積層造形の能力を考慮すると、この数はさらに増えるでしょう。
これまで見てきたように、積層造形はサプライチェーンの問題を解決する方法として業界全体にメリットをもたらします。ホークス氏はさらに次のようにコメントしています。「サプライチェーンが成熟し、積層造形の拡張性が実証されると、スペアパーツはオンデマンドで簡単に製造できるようになり、在庫要件が軽減され、部品製造がエンドユーザーの近くで行われるようになります。メンテナンス部品のサプライチェーンでは、分散アーキテクチャも採用できます。同じ部品を異なるサプライヤーから調達できるため、時間のかかる新しいツールの開発は必要ありません。」
△ DEDを使用して製造されたボーイング787の船尾ギャレーブラケット。付加製造技術は、このような複雑な部品の製造にも使用できます（画像提供：ボーイング）
しかし、これは金属 3D プリントの導入に課題がないということを意味するものではありません。特にセキュリティは、新しいテクノロジーを導入する際にユーザーが当然ながら慎重になる要因となっています。また、テストデータに関して言えば、鋳造材料や鍛造材料のテストおよび運用経験の膨大なリポジトリと比較して、AM に利用できるデータがはるかに少ないという事実によって、状況は悪化しています。ホワイト博士によると、これはユーザーがリスクの受容とイノベーションの必要性の間で微妙なバランスを取らなければならないことを意味します。
ありがたいことに、これは克服できます。一例として、ASTM は AM CoE の Materials Data and Standardization Alliance を通じてデータ収集のギャップを埋めています。目標は、積層造形バリューチェーンの 27 のメンバーからの入力を使用して、高品質のデータセットを作成することでした。モデリングとシミュレーションにより、必要なテストの量も削減できるため、業界全体で積層造形の使用に対する信頼性が高まります。
航空宇宙用途向け金属 3D プリント部品の認証<br /> もちろん、航空宇宙分野で金属 3D プリントを導入しようとしているメーカーにとって重要な問題の 1 つは、部品が認証されるかどうかです。それは可能ですが、難しいこともあります。ブライアン・ホークス氏は、「現在、航空宇宙用途の部品の認証は困難です。なぜなら、積層造形は航空宇宙業界では比較的新しい技術とみなされており、積層造形部品の認証に関する一部の標準とガイドラインはまだ完全には策定されていないからです。航空宇宙業界では、認証に対する包括的なアプローチが必要です。認定には、材料の選択、製造検証、テストなど、印刷部品のすべての側面を詳細に記述する必要があります。しかし、希望がないわけではありません。課題はありますが、当局が包括的な標準とガイドラインの策定に取り組んでいるため、積層造形は航空宇宙業界に革命を起こす可能性があります。」と述べています。
マーティン・ホワイト氏はまた、航空部品はFAAやEASAなどの規制当局による認証を受ける必要があるだけでなく、企業も独自の品質保証システムを持つ必要があると強調した。彼は次のように説明しています。「AM 製品の変動性を制御する必要があることを考えると、資格と認証を提供できる基盤、つまり品質管理システム (QMS) が必要です。AM における品質保証は、AM にとってそれ自体が大きなトピックですが、最高レベルでは、常に計画を立ててそれに従うことが推奨されます。ASTM/ISO コンセンサスに基づく標準は、航空宇宙 QMS と標準ベースの認証の基盤にもなります。」
△制限にもかかわらず、同社は Velo3D のこれらの例のように、金属積層造形を使用して多くの認定部品を作成することができました (画像提供: Velo3D)
マイケル・ヨーク氏は、資格取得の費用について特に言及し、別の限界を指摘した。「現在、資格取得の費用は従来の費用よりも高くなっていますが、時間の経過とともに下がり、より取得しやすくなることが期待されます。」
いずれにせよ、前述したように、プロセスはまだ簡単ではないものの、認定部品を入手することは実際に可能です。ヨーク氏はイートンでの経験について次のように説明しました。「イートンエアロスペースは、生産中の商用航空機用の金属 AM 部品を認証しています。通常、認証プロセスでは、特定のプロセス、または特定のシリアル番号の機械で特定の材料を完全に特性評価したことを証明するために、広範な材料およびプロセスの統計が必要です。」
明らかに、金属 3D プリント部品の認証を標準化し、向上させるには、まだやるべきことが数多く残っています。しかし、それは確かに可能です。この点では、ASTM International のような標準化団体が特に重要です。たとえば、ASTM には積層造形の品質保証に関する高度なトレーニングコースがあります。さらに、これらの組織は、ASTM/ISO 52942 に基づく ASTM 機械オペレーター認定など、個人の能力の構築に役立つ認定資格を持っていることが多く、QMS 内でのオペレーターの能力の実証をサポートできます。さらに、Velo3D のような 3D テクノロジーメーカーであれ、Eaton Aerospace のような経験豊富な航空宇宙企業であれ、航空宇宙分野で金属 3D プリントの使用経験がある可能性のある企業と協力することは、間違いなく役立ちます。
しかし、全体的には、金属 3D プリントは航空宇宙分野のさまざまな用途に適していると言っても過言ではありません。明らかに欠点を上回る多くの利点があり、ユーザーは希望する結果を得るためにさまざまなプロセスから選択できます。そうは言っても、特に認証や資格の面で、導入を容易にするためにはまだ取り組むべきことがあります。
専門家の見解「一人でやる必要はありません。コラボレーションが鍵です。Additive Manufacturing Allianceは知識とベストプラクティスの共有に優れています。標準コミュニティの一員になることで、最先端の技術の概要や次に解決すべきギャップを把握し、同僚と直接交流することができます」 – Martin White
「積層造形は適切な用途に使用すれば優れた効果を発揮しますが、積層造形技術の選択は部品のニーズに合致する必要があります。これはプロジェクトの設計段階の早い段階で、時には実際に紙にペンを走らせる前に検討する必要があります。積層造形の利点を早く検討すればするほど、最終的な部品の品質は向上します。設計段階の初めにエンジニアからの制約をすべて受け入れると、興味深い部品が完成するかもしれませんが、それは製造技術に妥協することなく自由に設計された部品です。」 – ブライアン・ホークス
「重量と性能向上の重要性から、AM は理想的なソリューションです。航空宇宙部品の比較的高いコストと鋳造品よりも優れた AM の品質を考慮すると、AM を導入する確固たるビジネスケースが生まれます。」 – マイクイートン