積層造形の典型的な応用シナリオ4：民間航空機の主要部品の統合製造

出典: 積層造形産業連盟

2022年8月、工業情報化部は「付加製造の典型的な応用シナリオ第1弾リスト」を発表した。地方の推薦、専門家の審査、公告を経て、付加製造の典型的な応用シナリオ第1弾が形成され、産業、医療、建設、文化などの分野で合計36の高品質な応用シナリオが選定された。

中国付加製造産業連盟は、先進的な付加製造技術と設備の応用と推進を加速するため、「付加製造典型応用シナリオ事例コラム」を設け、需要の問題点、事例紹介、技術進歩、応用結果、次のステップなどの観点から優れた成果を紹介している。この事例は、2023年2月28日から3月2日まで開催される「中国付加製造産業発展（広州）サミットフォーラムおよび2023年中国付加製造産業年次大会」で交換・共有される予定である。

「民間航空機基幹部品の一貫製造」第４号が下記の通り発刊されました。

シーンタイプ	民間航空機の主要部品の統合製造
シーンプロジェクトユニット	サービスプロバイダー	上海飛機製造有限公司、中国商用飛行機株式会社、北京民間航空機技術研究センター
	中国商用飛機集団有限公司

I. 背景概要

（I）需要の問題点：民間航空機にとって、経済効率は市場競争のニーズを満たし、製品の商業化を成功させるための重要な指標です。航空機の経済効率は、製造コストだけでなく、航空機のライフサイクル全体にわたる運用コストも考慮します。航空機の軽量化は、ライフサイクル全体にわたる運用コストの削減、航空機の全体的な性能の向上、および炭素排出汚染の削減に非常に重要な意味を持ちます。航空機の重量を制御し、効果的な軽量化作業を行うことは、民間航空機の競争力を維持するための必要な条件の1つです。そのため、「構造軽量化」のレベルをいかに向上させ、軽量構造の設計と一体製造を実現するかが、民間航空機構造の軽量化要求の悩みの種となっている。

（II）ソリューション積層造形技術は、部品のデジタルモデルから複雑な構造部品まで、ニアネットシェイプ製造を直接完成させることができ、設計は従来の製造プロセスの制約を打ち破り、より大きな自由度を獲得できます。製造サイクルが短く、材料利用率が高く、軽量化効果が大きいなどの利点があります。当社は、民間航空機製品の革新的な軽量構造設計と積層造形応用に関する研究を行っています。トポロジー最適化や空間格子構造などの設計手法を通じて構造形状を最適化し、部品の応力をより合理的な分布にしながら性能を確保し、最高の機能、最大の材料節約、最高の効率を備えた機体の耐荷重構造形状を探求し、レーザー選択溶融積層造形技術を使用して、従来の減算製造では実現が難しい軽量化効果を実現します。

2. 事例紹介 - 搭乗ドアヒンジアーム

1. 事例の説明

搭乗ドアのヒンジアームは、航空機のドアとドアフレーム間の重要な接続構造です。ドアの重力、突風、ドアの開放など、ドアに作用する荷重は、ヒンジアームを介して胴体のドアフレームに伝達されます。従来の搭乗ドアのヒンジアーム構造は、重量が9.2kgの機械加工部品です。

搭乗ドアヒンジアームのトポロジー最適化設計を実行し、最適化されたヒンジ構造の強度と剛性をさまざまな動作条件下でチェックして、設計要件を満たします。最適化された部品設計の重量は 6.4kg で、元の設計構成よりも 30.4% 軽量です。

(a) 最適化前の構成 (b) 最適化後の構成図 1 フロントドアヒンジアームとリアドアヒンジアームの最適化された構成この構成の片道寸法は約 600 mm で、薄い壁、大きな曲面、中空などの複雑な構造的特徴を備えています。技術的なブレークスルーにより、選択的レーザー溶融（SLM）技術を使用した高強度アルミニウム合金ヒンジアームの統合製造が実現しました。機械で付加した多関節アームに比べ、重量が約30％軽減され、ライフサイクル全体での製造コストが30％以上削減されます。付加製造は、迅速な生産と軽量化に大きな効果をもたらします。

図2 SLM高強度アルミニウム合金製ドアヒンジアーム部品評価後、積層造形された高強度アルミニウム合金製ドアヒンジアームの性能は要件を満たしています。同時に、航空機上のドアヒンジアームの機能と使用環境に応じて、対応する耐空性コンプライアンス要件に基づいて、フルサイズ部品の静的および機能的な取り付けテストと飛行テスト評価を実施しています。結果は、部品の機械的特性がハッチの実際の動作条件の負荷要件を満たし、テスト結果が合格条件を満たしていることを示しています。

図3 高強度アルミ合金製ドアヒンジアーム部品をテスト飛行用に取り付けた状態。製造設備は西安ポリライト社のBLT-S600レーザー選択溶融成形設備。最大成形サイズは600×600×600mm3で、図4に示す通り。

図4 レーザー選択溶融装置（II）技術レベルと進歩

この応用シナリオは、中国で初めて大型高強度アルミニウム合金積層造形部品の取り付け検証を実現し、高強度アルミニウム合金の複雑な精密部品の構造最適化設計、積層造形、品質管理、評価などの主要技術を習得し、モデルの応用要件を満たすハッチヒンジアームなどの部品の製造に成功しました。このシナリオは、2022年の先進製造業における「トップ10パイオニアプロジェクト」の1つに選ばれました。

III. 応募およびプロモーションの結果

このシナリオでは、高強度アルミニウム合金積層造形部品の研究開発が行われ、典型的な航空部品の構造設計、プロセス制御とテスト、耐空性コンプライアンス、アプリケーション検証までの技術システムが確立されました。SLM成形アルミニウム合金部品の全プロセス検証を通じて、国産設備と国産原材料に基づくSLM成形高強度アルミニウム合金機能統合部品の大型旅客機C919への搭載検証が初めて実現しました。大型旅客機の軽量化と経済性の向上という目標を達成することは、我が国にとって大きな意義があります。

4. 改善と推進の次のステップ

今後、当社は国産SLM設備の安定性制御やSLM形状制御・制御性などのキーテクノロジーの成熟度をさらに向上させ、積層造形産業チェーンの上流と下流の連携を推進し、民間航空機の静的強度駆動や疲労損傷許容部品などの分野における高強度アルミニウム合金積層造形技術と国産SLM設備の応用に、より広範な事例と自信を提供していきます。この応用シナリオで確立されたコスト分析、設計、製造、評価の統合開発システムや高強度アルミニウム合金SLM部品の耐空性認証の研究方法などの共通の成果は、他の積層造形方向や他の分野の積層造形資格認証に拡張することができ、さまざまな分野での積層造形の徹底的な応用を促進し、国内の積層造形レベルを向上させ、Made in Chinaに貢献します。

（執筆者：北京民間航空機技術研究センター、中国商用飛行機集団有限公司、上海飛機製造有限公司）