世界初のC919大型旅客機が中国東方航空に納入されました。その背後で使用されている3Dプリント技術を見てみましょう。

2022年12月9日、南極熊は中国東方航空（600115）がCOMAC浦東竹橋基地で納入された世界初の国産C919大型旅客機を受け取ったことを知りました。今回の納入は、我が国が大型ジェット旅客機の設計、試作、試験、飛行試験、認証、生産、納入の全プロセスを完了したことを意味します。中国東方航空は、C919大型旅客機を商業運航する世界初の航空会社にもなった。

C919大型旅客機は、我が国が国際民間航空法規に従い、自主的に開発した、自主的な知的財産権を有する大型ジェット民間機であり、座席数は158～168席、航続距離は4075～5555キロメートルである。計画によれば、最初のC919を受領した後、中国東方航空の第1バッチのC919注文のうち残りの4機も来年納入される予定だ。最初のC919は100時間を超える航空検証試験飛行を実施する予定。

919の開発には、航空機エンジンの統合設計、フライ・バイ・ワイヤ飛行制御システムの制御法、アクティブ制御技術、航空機全体の詳細な有限要素モデル解析など、100を超える技術が克服されました。機内のシステムを除いて、大型機体自体の各部やコンポーネントを部品ごとに分解すると、小さな部品は合計で約100万点に上る。現在、国産大型機C919は32社の顧客から1,000機以上の受注を獲得している。

△飛行中のC919大型機、出典：CCTV
アンタークティックベアは、C919大型航空機の研究開発、試作、納入に使用されている3Dプリント技術について依然として大きな懸念を抱いています。本日開催された「第2回中国航空宇宙付加製造技術開発フォーラム」において、中国商用飛行機集団付加製造技術センター所長の張家鎮氏は、「付加製造は航空機製造コストを大幅に削減し、小ロット部品生産の納期を短縮し、部品設計を最適化し、接続を減らし、部品の性能を向上させることができる」と述べた。

経済的利益の面では、3D プリンティングにより、航空機のライフサイクル全体にわたって運用コストを削減できます。航空機のライフサイクル全体を通じて、1キログラムの軽量化により約20万人民元を節約できると推定されています。

C919の開発と試作に使用された3Dプリント技術を見てみましょう。

3DプリントされたC919チタン合金製メインフロントガラス一体型ウィンドウフレーム

Douyinで開催された「学者講演」プログラムでは、北京航空航天大学の学者王華明氏が、3Dプリント技術を使用してC919機首のメイン風防窓枠を開発・製造した経験を共有した。
△CCTV4「陸建インタビュー」欄で、北京航空航天大学の王華明院士が
C919機首のメイン風防窓枠はサイズが大きく、形状も複雑で、国内航空機メーカーの従来の方法では生産できない。欧州の企業でも製造は可能だが、サイクルが長く、納品までに2年かかるほか、金型のコストが1個あたり50万ドルと高価だ。

2009年、王華明氏のチームは3Dプリント技術を使用し、55日かけてC919のチタン合金製メインフロントガラス一体型窓枠を製作した。コストは欧州の鍛造金型費用の10分の1以下だった。

瀋陽航空機設計研究所やその他の機関との緊密な協力を通じて、王華明氏のチームは大型主要部品の製造において質的な飛躍的進歩を達成しました。金型や従来の鋳造・鍛造が不要になるだけでなく、3次元の問題が2次元として扱われるため、理論的には部品のサイズ、形状、寸法に制限がなくなります。

「将来の装備の構造、そしておそらくその性能も変わるでしょう。おそらく航空機は3万個の部品を必要とし、重量は数十トンです。現在、3Dプリントにより、数万個の部品が2,000個になり、部品数が大幅に削減されます。高品質の材料を印刷することで、強度が増し、重量が軽減されます」と王華明氏は語った。

3DプリントされたC919中央翼ストリップ

中国青年報とのインタビューで、西北工業大学の黄衛東教授はC919の中央翼スラットの印刷について語った。
△ポリライト社が自社の知的財産権を有する金属3Dプリント技術と設備を使用して印刷したC919中央翼ストリップ
2011年の初めに、「研究チーム」はC919の中央翼スラットを印刷する任務を引き受けました。彼らは昼夜を問わず懸命に働き、1年も経たないうちに、廃墟となった教育実験工場に近代的な工場を建設し、金属3Dプリント用の特別な設備を開発し、一連の極めて厳しい性能テストを完了し、西安ポリライト社を設立し、2012年の初めまでにエッジストリップの印刷の準備を完了しました。

その後、20名以上のチームメンバーが残業して時間との戦いを続け、ついに2012年1月22日の朝、C919の中央翼の最初のストリップを一発で印刷することに成功しました。

このC919のチタン合金製中央翼帯は、長さ3.07メートル、重さ196キログラムで、2012年にCOMACの性能試験に合格し、2013年には国産大型機C919の初号機検証機に採用されて成功した。

国産航空機の設計検証段階で3Dプリント技術を用いて荷重支持部品を作製するのは初めてであり、国際民間航空機の設計・製造でも初めての事例となる。さらに重要なことは、翼の主要部品として、当時の我が国の製造能力では、このような特大かつ複雑な構造部品を鍛造することは不可能だったということです。しかし、海外から購入すると、大型航空機の国産化率に必然的に影響が出てしまいます。

「金属3Dプリント技術は、チタン合金部品の加工に新たな技術的アプローチを提供し、中国の航空機製造に新たな窓を開く」と黄衛東教授は述べた。

C919搭乗ドアのチタン合金部品を3Dプリント

2016年11月8日にC919の点火に成功した際、 C919の前部胴体と中部胴体の搭乗ドア、サービスドア、前後貨物ドアに23個の金属3Dプリント部品が使用され、金属3DプリントサービスプロバイダーのFeierkangが完成させました。 FalconTech は、SLM ベースの 3D 印刷技術を使用して、ファンの空気吸入口コンポーネントのチタン合金薄壁構造に関する技術研究を行っています。当社はたゆまぬ努力により、大型薄肉チタン合金部品に共通する応力亀裂や表面変形の問題を4か月以内に克服し、製品の納品を予定通りに完了し、C919の点火成功に大きく貢献しました。

△FalconTechが3DプリントしたC919航空機搭乗ドアのチタン合金機構部品の配置図
C919に搭載されたLEAP-1Cエンジン
2015年7月22日、COMACとCFM Internationalは、最初のCFM LEAP-1Cエンジンの納入を祝う式典を開催しました。このエンジンは、航空機のロールアウトと初飛行に備えて、最初の C919 航空機に搭載される予定です。
このエンジンに詳しい読者なら、LEAP-1C には 3D プリントされた燃料ノズルが使用されていることをご存知でしょう。
LEAPは、GEとフランスのサフラングループがそれぞれ50%ずつ出資して設立した合弁会社CFMが開発した新世代の航空機エンジンです。燃費が良く、二酸化炭素排出量が少ないのが特徴です。現在、ボーイング737、エアバスA320、我が国のC919などの単通路型旅客機に広く使用されています。 2014 年には、燃料をより効率的に混合・噴射する 3D 燃料ノズルへの切り替えにより、パフォーマンスがさらに向上しました。

3DプリントされたC919大型航空機モデル
2018年、Weiboユーザー@灰犬公园は、夏休みに娘と一緒に3DプリントしたC919航空機を披露しました。この作品を完成させるのには本当に大変な労力がかかりました。他の人の夏休みの宿題を見てみましょう。

3Dプリント技術は、子供たちの3次元の創造的デザイン、実践能力、科学知識などを訓練する上で優れた役割を果たしています。そのため、多くの学校、さらには家庭でも、教育や体験のために3Dプリンターを購入し始めています。しかし、10代の若者にとって、そのほとんどはまだ最初の接触段階にあり、柔軟に使用できるようになるまでにはまだまだ長い道のりがあります。 Antartic Bear は、このような事例を通じて、より多くの人々が積極的に創作活動に取り組むようになることを願っています。
要約する
数百万の部品からなる超複雑な製品であるため、その研究開発、試作、生産プロセスには数え切れないほどの課題が山積しています。3Dプリント技術を応用できる分野も数多くありますが、その多くは機密保持上の理由からこれまで公表されてこなかったものかもしれません。
Antarctic Bearも、C919の量産に3Dプリントがますます活用されることを心から願っています。

世界初のC919大型旅客機が中国東方航空に納入されました。その背後で使用されている3Dプリント技術を見てみましょう。

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