3D プリントは航空業界にどのような変化をもたらすのでしょうか?

はじめに: 航空業界は現在、コストの上昇と長期的な環境の持続可能性という 2 つの問題に直面しています。付加製造技術は、これら 2 つの問題を解決することができます。航空機部品の 3D プリントはすでに現実のものとなっており、排出量の削減に役立つだけでなく、従来の製造方法よりも経済的な代替手段も提供します。ボーイング社は、3Dプリント部品を使用すると航空機1機あたり300万ドルの節約になると述べている。現在、3D プリンティングは一般的に、プロトタイプの作成とそれほど重要でない部品の製造に限定されていますが、技術が急速に進歩するにつれて状況は変わる可能性があります。では、 3D プリントは安全性が重要なコンポーネントやシステムにどのような影響を与えるのでしょうか?組立ラインでの 3D プリントの使用は航空業界全体にどのような変化をもたらすのでしょうか?

航空機部品の 3D プリントの利点<br /> 航空機に 3D プリント部品を使用することで得られるメリットは、コスト削減にとどまらず、試作機能の強化、製造の高速化と精度向上、二酸化炭素排出量の削減などにもつながります。

3D プリントされた部品を使用してプロトタイプを作成すると、新しいプロトタイプまたはモデルをわずか数分で印刷できるため、何千時間もの作業を節約できます。また、3D プリントでは、従来の製造方法よりも変更が簡単です。ユーザーは、より安価な材料を使用して低コストのプロトタイプを迅速に作成し、レビューできるからです。つまり、開発者は航空機の部品をリアルタイムで確認し、最終製品よりも軽量で安価な材料を使用して空気力学のテストと分析を実行し、金属製造に着手する前に多くの調整を行うことができます。

△CFM LEAP エンジンの 3D プリント燃料ノズルは、複数の部品を 1 つのアセンブリに統合します。画像はCFMより提供。

3D プリントは、特に製造プロセスを支援する固定具の分野で、より高速で正確な製造も可能にします。部品間のばらつきや誤差を減らすために、従来の製造方法で作られた部品は、機械加工中に金属ピンなどの固定具を使用して所定の位置に保持する必要があります。しかし、何千もの器具を製造するのに必要な時間や購入コストは、従来の製造業者にとって大きな課題です。対照的に、3D プリンティングにより、メーカーは従来の製造に必要なコストと労力の 40% で何千もの固定具を作成できます。

結局のところ、試作と製造で節約された時間とエネルギーは、より少ないエネルギーと無駄でより多くの部品を製造できることを意味します。製造と生産は世界の総炭素排出量の5分の1以上を占めているため、より持続可能な製造が優先されるべきです。 3D プリントにより材料消費量を最大 90% 削減でき、結果として二酸化炭素排出量が大幅に削減されます。

航空業界での 3D プリントは安全ですか?
3D プリントには多くの利点がありますが、プロセスの仕組み上、安全性に関する問題がまだいくつか残っています。 3D プリンティングでは、重くて固い材料のブロックから部品を切り出すのではなく、軽量の材料を重ねて部品を形成します。剥離プロセスにより、通常、最終製品はより脆く、多孔質で、脆くなります（機械的特性の低下）。当初、FAA は 3D プリント部品の認証に消極的だった。これは、従来製造された部品よりも簡単に壊れたり損傷したりする可能性がある、部品の特性が厳しいことが原因だった。現在、チタン 3D プリントを可能にする新しい技術の開発により、材料と最終製品はこれまで以上に強力になり、認証もより迅速に進む可能性があります。

3D プリントされた航空機とそのコンポーネントを取り巻く安全プロトコルと規制は、航空機に搭載される 3D プリントされた材料が安全性に悪影響を及ぼさないことを保証できるほど包括的です。 DO-254 および航空宇宙ハードウェアの関連規格では、すでに徹底したレベルのテストと品質保証が求められており、これにより、3D プリントが安全性が重要でない部品にのみ使用されるか、人や航空機の安全を確保するために十分な検査とテストが必要であることが保証されます。

航空業界における3Dプリントのトレンド
3D プリンティングは、航空電子工学における革命のほんの一部にすぎません。しかし、3D プリントは、まったく新しい航空旅行システムを実現し、航空機メーカーのコンプライアンスと認証に関する考え方を変えるのに役立つ可能性があります。 3D プリンティングは、航空機製造における現在のサプライチェーンの課題の一部を克服するのにも役立ちます。したがって、これは都市航空移動（UAM）の推進に役立つ可能性があります。 UAM の背後にあるアイデアは、いつの日か私たち全員が従来の自動車の代わりに、あるいは従来の自動車に加えて、空飛ぶタクシーを使用するようになるかもしれないというものです。しかし、UAM が機能するためには、より多くの小型航空機が必要であり、3D プリントによってこのプロセスが容易になります。

たとえば、垂直離着陸機（VTOL）は、大きな滑走路を必要とせず、低高度でも容易に飛行できるため、UAM にとって重要な技術です。開発者は現在、これらの航空機用の3Dプリント部品の開発に取り組んでいます。 2023年2月、ホライゾン・エアクラフト社の新しいVTOL航空機のプロトタイプが、約800個の3Dプリント部品を搭載して空に飛び立ちました。

△ホライゾン航空機のプロトタイプ。画像提供：Horizon Aircraft。

3D プリンティングは、将来的には航空機の製造を「ビルディングブロック」のように促進する可能性があります。具体的には、3D プリンティングは、航空電子機器のソフトウェアとハードウェアのコンプライアンスと認証に「組立ライン」の考え方を採用します。たとえば、テンプレートは、製造業者や航空機開発者が新しい設計を効率的かつ繰り返し可能な方法で認証できるようにするため、コンプライアンスと認証の重要な要素となります。したがって、3D プリンティングは、部品の試作と製造にビルディングブロックベースのアプローチを提供します。ビルディングブロックとして利用できる複数の種類のテンプレートにより、企業は新しい航空機を設計、製造、開発し、ソフトウェアについては DO-178C、ハードウェアについては DO-254 への準拠を確保できます。

3D プリンティングは今後も航空やその他の分野の進歩に貢献し続け、いつの日か 100% 3D プリントされた飛行機で飛行できるようになるかもしれません。

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