付加製造技術は航空業界のカーボンニュートラル化を可能にするか?

出典：航空産業研究所

2021年に初めて中国の政府活動報告にカーボンピークとカーボンニュートラルが記されて以来、現在開催中の両会においてカーボンニュートラルが再びホットな話題となっている。地球温暖化により気候リスクが増大しており、カーボンニュートラルの達成は今日の世界で最も緊急の課題となっています。世界全体の二酸化炭素排出量から判断すると、航空業界は実際には二酸化炭素排出の大きな要因ではありませんが、二酸化炭素排出削減においては間違いなく「難しい業界」です。航空機の数が増加するにつれて、航空業界におけるカーボンニュートラルという確立された目標を達成するために、さまざまな省エネおよび排出削減対策を継続的に検討し、改善することは、依然として非常に困難な課題となっています。

付加製造により、航空業界のライフサイクル全体でカーボンニュートラルを実現<br /> 呂炳衡院士は「将来、中国の製造業は中型材料、還元材料、添加材料の3つに分かれるだろう」と指摘した。特に航空分野では、積層造形は航空機の軽量化、複雑な部品の成形、部品の統合の実現など独自の利点があり、大きな価値と幅広い応用の見通しを示しています。国産大型旅客機C919の部品は、中央翼ラインの加工に積層造形技術を採用しています。ボーイング787ドリームライナーには積層造形技術で作られた部品が30個あります。GEの先進航空機エンジンGE9Xの部品の3分の1以上は、図1に示すように積層造形で完成しています。

図1 GEが発売した航空機エンジンGE9Xは35%の積層造形を採用
航空製品の設計と製造、航空輸送、製品の修理とメンテナンスという製品ライフサイクル全体を開発の観点から考えると、付加製造技術の特性により、カーボンニュートラルの点で従来の製造に比べてかなりの利点があることがわかります。

1. 設計と製造
1. 金型を開ける必要がなく、反復が高速です。積層造形技術の最も顕著な利点は、機械加工や金型を使わずに、コンピューターグラフィックスデータから任意の形状の部品を直接生成できることです。これにより、反復プロセスが大幅に削減され、製品の研究開発と製造サイクルが短縮され、開発プロセス中のエネルギー消費が大幅に削減されます。北京航空航天大学の王華明教授はかつて、中国は積層造形技術を使ってC919航空機のコックピットのガラス窓枠をわずか55日で印刷できるようになったと述べたが、欧州の航空機製造会社は同じものを製造するには少なくとも2年はかかると述べている。中国は積層造形技術を利用して生産サイクルを大幅に短縮し、効率を向上させた。

2. ネットシェイプ、高い材料利用率。付加製造によってカーボンニュートラルを実現できる主な方法は、部品、コンポーネント、または製品ごとに使用する材料を減らすことです。積層造形はネットフォーミングに属し、従来の製造における切断、フライス加工、研削工程と比較して、発生する廃棄物が大幅に削減され、最終製品の材料利用率が大幅に向上します。さらに、図2に示すように、トポロジー最適化、格子構造、格子構造などを通じて、材料を節約するという目的も達成できます。
図2 (a) 航空機の翼のトポロジー最適化 (b) エンジンの薄壁格子充填
3. 機能構造の統合により、加工および組み立て手順を削減します。付加製造技術は、従来の工具や固定具、複数の加工工程を必要とせず、単一の装置で任意の複雑な形状の部品を迅速かつ正確に製造できるため、部品の機能と構造が統合され、加工および組み立て工程が大幅に削減され、製造プロセスの低炭素目標が達成されます。

2. 航空輸送
1. 重量を減らし、燃料消費を削減します。航空機器にとって軽量化は永遠のテーマです。重量を5%減らすと、燃料消費量を20%節約できます。積層造形により、航空機部品の重量を軽減することで輸送中のエネルギー消費を削減できます。

2. エンジンの燃焼効率を向上させ、燃料消費を削減します。エンジン内部では、燃焼室や多くの構造部品の製造に積層造形技術が使用されており、エンジンはよりシンプル、軽量、コンパクトになり、設計による燃料燃焼効率の向上だけで最大 15% の燃料を節約できます。

3. オンデマンド印刷によりエネルギーの無駄を削減します。オンサイトおよびオンデマンドの印刷製造により、全体的なエネルギーの無駄が削減され、二酸化炭素排出量も削減されます。組み立て、輸送、物流、保管などの環境コストが実質的に排除され、エネルギーと資源の利用が改善されます。

（III）修理とメンテナンス
1. リサイクル、グリーン、低炭素。積層造形は、粉末製造技術を通じて廃棄部品の再利用を実現し、循環型経済に向けた航空機製造業界の発展を実現します。例えば、米国のMolyWorksの技術的アイデアは、金属印刷廃棄物を高品質の粉末に変換することです。同時に、同社は金属廃棄物をその発生場所でその場で消化・変換する「モバイルファウンドリー」という事業開発モデルを提案しています。

2. 部品の廃棄を避けるための現地での修理。積層造形のレイヤーバイレイヤー製造特性に基づき、損傷した部品を特殊な基板と見なすだけで、損傷した部品にレーザー立体成形を施すことで部品の形状を復元し、性能が使用要件を満たすことを保証します。これにより、部品製造プロセスにおける良質な低炭素サイクルが実現され、新しい材料や部品の製造に消費されるエネルギーが節約されます。例えば、タービンブレードディスクを例にとると、ディスク上のブレードが損傷した場合、付加製造技術を使用して損傷したブレードを修復するだけで、ブレードディスクの機能が回復し、タービンブレードディスク全体の廃棄を回避できます。

3. 部品の性能を向上させ、耐用年数を延ばします。部品の構造を最適化することで、部品の応力を最も合理的に分散し、疲労亀裂のリスクを軽減し、耐用年数を延ばし、二酸化炭素排出量を削減します。例えば、米国のF16戦闘機に搭載されている3D技術で製造された着陸装置は、使用基準を満たしているだけでなく、平均寿命も元の2.5倍長くなっています。

今後の方向性の提案<br /> 航空業界でカーボンニュートラルを実現するための積層造形の能力をさらに高めるために、以下の開発方向が提案されています。

1. 材料の微細構造の最適化。材料ゲノムを通じて専門的なデータベースを確立し、インテリジェントで最適化された材料選択を実現します。組成、プロセス、微細構造、性能間の本質的なつながりを確立することにより、材料の性能に応じてカーボンニュートラル要件を満たす微細構造が設計されます。

2. 構造的および多分野にわたるトポロジー最適化。マルチフィジックス駆動型ボリューム設計を導入することで、マルチスケール機能とマルチタイプの材料がデジタル的に統合され、必要な機械的特性を維持しながら材料消費を削減し、コンポーネントの重量を軽減し、構造的および機能的な統合を実現します。

3. 人工知能とデータツイン技術の組み合わせ。プロセス監視、情報認識、機械学習、人工知能、データベースなどの高度な機器やテクノロジーを統合します。産業用インターネットを積層造形のデジタルツインに統合することで、クラウドプラットフォームを通じてデータとモデルを共有、分析し、積層造形のデジタルエコシステムを改善できます。積層造形は、航空機部品製造のあらゆるリンクにおいて炭素削減に重要な役割を果たすことができます。

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