積層造形の典型的な応用シナリオ: 積層技術に基づく航空宇宙の主要部品の全体的な軽量設計

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に、「典型的な付加製造応用シナリオ事例研究コラム」を設置し、需要の問題点、事例紹介、技術の進歩、応用結果、次のステップの観点から優れた成果を紹介しています。
「付加製造技術による航空宇宙主要部品の全体軽量設計」の第1号が下記の通り発刊されました。

シーンタイプ	複雑な構造製品の軽量設計
シーンプロジェクト名	積層造形に基づく航空宇宙の主要部品の全体的な軽量設計
シーンプロジェクトユニット	機器メーカー	上海丹鎮レーザーテクノロジー株式会社、西安ポリライト添加剤テクノロジー株式会社
	サービスプロバイダー	上海航空宇宙精密機械研究所
	アプリケーションユニット	中国航天科技集団

I. 背景概要

1. 需要の問題点

新たな国際情勢と軍事戦略環境に直面して、航空宇宙兵器に対する性能要求はますます高くなり、軽量化、一体化、統合化された装備に対する要求はより緊急かつ切迫したものになっています。現在、従来の製造方法のプロセスアクセス性の制約により、航空宇宙機の主要部品の軽量化はますます困難になっています。軽量化の目標を追求する中で、その構造はますます複雑になり、従来の製造コストは非常に高く、製造不可能な場合さえあり、高性能な新型航空宇宙機の開発に深刻な制限を与えています。

2. 解決策

最も有望な積層造形技術の 1 つであるレーザー選択溶融積層造形技術は、デジタルモデルから直接部品を製造します。理論的には、従来の製造プロセスでは製造が困難な格子、ハニカム、コンフォーマルフローチャネルなどの任意の複雑な構造の製造を実現できます。図 1 に示すように、軽量の航空宇宙機構造、熱制御などの機能要件を満たす実用的な技術的アプローチを提供します。

(a) 格子構造 (b) ハニカム構造 (c) 位相構造図1 積層造形の革新的な構造
2. 事例紹介 - ラティス+スキン全体軽量舵

1. 事例の説明

舵と翼製品は、航空宇宙機の安定制御システムのアクチュエーターであり、航空機の安定した飛行と操縦性を実現するための重要な部品です。構造の軽量化の程度は、航空機の操縦性や応答速度に影響を与えるだけでなく、サーボシステムの出力にも重要な影響を及ぼします。製造技術の継続的な進歩により、舵と翼製品の軽量レベルは、図2に示すように、初期のソリッドプレート舵と翼から現在主流のスケルトンスキン翼舵まで徐々に向上してきました。

(a) 一体型サンドイッチ舵翼 (b) 強化リブサンドイッチ構造舵翼 (c) スケルトンスキン構造舵翼図 2 舵翼製品形態軽量舵翼製品に対する切実な要求に応えて、格子+スキンの全体軽量構造を採用し、舵翼製品の革新的な設計と製造を実現します。舵翼製品の内部は格子構造で満たされ、外部は空力薄肉スキン構造です。格子とスキンは一体構造であり、一体型積層造形によって直接形成されます。

図3 アルミ合金格子+スキン全体軽量折りたたみ式エアラダー実際の格子+スキン全体軽量ラダーの表面には、レーザー選択溶融成形技術が採用されています。製品の製造設備は、図4（a）に示すように、最大成形サイズが250×250×400mm3の西安ポリライト社のBLT-S300レーザー選択溶融成形設備、および図4（b）に示すように、最大成形サイズが320×320×420mm3の上海タンジェン社のTS320レーザー選択溶融成形設備です。

(a) BLT-S300 (b) TS320 図4 選択的レーザー溶融装置 (II) 技術レベルと進歩

まず、アルミ合金格子＋スキンで作られた軽量折りたたみ舵面は、全体の重量がソリッド舵面より65.5％軽く、舵と翼の構造も大幅に軽量化されています。
第二に、与えられた表面荷重下での最大等価応力は降伏応力よりも小さく、最適化後、回転軸周りの慣性モーメントは 65.4% 減少し、大きな効果が得られます。
第三に、ユニットセル構造やレイアウトの最適化などの内部格子構造の設計を通じて、舵翼の重心を自由に調整でき、カウンターウェイトの使用を減らすことができ、さらには従来のカウンターウェイト調整を完全に置き換えることもできます。
4つ目は、プロセスがシンプルで、製造サイクルが短縮され、コストが削減されることです。ラティス+スキンの全体軽量舵翼構造は、スキン溶接や溶接検査などの工程を必要とせず、レーザー選択溶融によって全体を直接成形することができます。

III. 応募およびプロモーションの結果

このタイプのラティス+スキン一体型軽量ラダー翼製品は、静的、展開、吊り下げ飛行展開テスト評価に合格しています。現在では、複数の航空機モデルに年間100点以上の部品を安定的に供給しており、これらのモデルの発展を強力にサポートしています。

4. 改善と推進の次のステップ

現在、積層造形技術をベースに、ラティス構造の設計・製造により舵・翼製品の軽量化を実現しています。今後は、新素材や革新的な微細構造設計による舵・翼製品の減衰性能のフラッター防止や、マイクロチャネル構造による断熱防止など舵・翼製品の機能向上にさらに取り組み、舵・翼製品の機能指標をさらに向上させていきます。このタイプの製品は普及と応用の見通しが良く、特に将来的には、武器や装備のステルス性と高機動性が求められるため、小型軽量モデルの需要がさらに高まり、その普及価値はより大きくなります。

（執筆者：上海航空宇宙精密機械研究所）