3D プリントハイテク - 航空宇宙部品

出典: 中国非鉄金属レポート参考: 航空宇宙機器は、3D プリントの最も有望な応用分野の 1 つです。まず、航空宇宙機器は多品種少量生産を特徴としています。特に試作段階では、多くの部品を一つずつカスタマイズする必要があります。従来のプロセスを採用すると、サイクルが長くなり、コストが高くなります。3Dプリントは、低コストのラピッドプロトタイピングを実現できます。第二に、軽量化と強度要件により、航空宇宙機器における複雑な構造部品や大型の特殊部品の割合が増加しています。従来の「鍛造+機械加工」方法を採用すると、必要なプロセスが多く、プロセスが複雑になり、直接加工できない場合もあります。3Dプリントは、複雑な部品の加工において明らかな利点があります。第三に、従来のプロセスで加工された航空機部品の原材料利用率は約10％に過ぎず、残りは鋳造、鍛造、切断、研削の過程で無駄になりますが、3Dプリントの増分製造原材料利用率は90％以上に達する可能性があります。
△ Meldでプリントした3Dアルミ合金リング
海外の3Dプリント航空宇宙製品におけるチタン合金の応用<br /> 航空宇宙機器は、3D プリンティングの最も有望な応用分野の 1 つです。まず、航空宇宙機器は多品種少量生産を特徴としています。特に試作段階では、多くの部品を一つずつカスタマイズする必要があります。従来のプロセスを採用すると、サイクルが長くなり、コストが高くなります。3Dプリントは、低コストのラピッドプロトタイピングを実現できます。第二に、軽量化と強度要件により、航空宇宙機器における複雑な構造部品や大型の特殊部品の割合が増加しています。従来の「鍛造+機械加工」方法を採用すると、必要なプロセスが多く、プロセスが複雑になり、直接加工できない場合もあります。3Dプリントは、複雑な部品の加工において明らかな利点があります。第三に、従来のプロセスで加工された航空機部品の原材料利用率は約10％に過ぎず、残りは鋳造、鍛造、切断、研削の過程で無駄になりますが、3Dプリントの増分製造原材料利用率は90％以上に達する可能性があります。
ボーイングは、航空機の設計と製造に 3D プリント技術を採用した最初の国際的な航空宇宙メーカーであり、300 種類を超えるさまざまな小型部品の製造に 3D プリント技術を使用しています。
2012年、ゼネラル・エレクトリックは、Leapシリーズエンジンの部品を製造するレーザー焼結金属粉末技術を開発したモリス・テクノロジーズを買収しました。プラット・アンド・ホイットニー社はまた、コネチカット大学と共同で付加製造センターを設立するために数百万ドルを投資した。 NASAは宇宙船のエンジン部品の製造に3Dプリンターを使用しており、宇宙飛行士が自給自足し、宇宙ステーションの原材料を使用して必要なものを直接製造し、地上の供給に完全に依存している供給モデルを変えることを期待して、国際宇宙ステーションに印刷装置を打ち上げる計画を立てています。
2014年8月31日、NASAのエンジニアは3Dプリントロケットインジェクターのテストを完了しました。この研究は、ロケットエンジン部品の性能向上を目的としていました。インジェクター内の液体酸素と気体水素の混合反応により、燃焼温度は約3315°Cに達し、約9トンの推力を生み出すことができ、ロケットエンジン製造における3Dプリント技術の実現可能性を検証しました。
ロケットエンジンのインジェクターの製造には、高精度の加工技術が必要です。3Dプリント技術を使用すれば、製造の複雑さを軽減できます。インジェクターの3次元画像をコンピューターで作成できます。印刷材料は金属粉末とレーザーです。高温で、金属粉末を必要な形状に再形成できます。ロケットエンジンのインジェクターには数十個の噴射部品があり、同様のサイズの部品を製造するには高い加工精度が求められます。テストに成功した後、この技術はRS-25エンジンの製造に使用されます。このロケットはNASAの宇宙打ち上げシステムの主力として、低軌道を超えてより深い宇宙まで宇宙飛行士を運ぶことができます。マーシャルセンターのエンジニアリング部門のディレクターであるクリスは、ロケットエンジンインジェクターへの 3D プリント技術の応用は最初のステップに過ぎないと考えています。私たちの目標は、3D プリント部品がロケットの設計と製造を根本的に変え、システムのパフォーマンスを向上させることができるかどうかをテストすることです。さらに重要なのは、時間とコストを節約でき、故障しにくくなることです。
NASA は 2014 年 9 月に、ほぼすべてのコンポーネントを 3D プリント技術を使用して製造した初の画像望遠鏡を完成させる予定です。 NASA は、3D プリント技術を使用して機器全体を製造しようと試みる最初の組織となりました。この宇宙望遠鏡は完全に機能しており、50.8mmのカメラを搭載しているため、CubeSat（超小型衛星の一種）内に収まります。この宇宙望遠鏡の外管、外バッフル、光学フレームはすべて別々の構造として直接印刷されていることがわかります。
この長さ50.8mmの望遠鏡は、すべてアルミニウムとチタンで作られ、3Dプリント技術を使用して製造する必要がある部品は4つだけです。比較すると、従来のプロセスで必要な部品の数は、3Dプリントの5〜10倍です。さらに、3D プリントされた望遠鏡では、望遠鏡内の迷光を減らすために使用される機器バッフルを角度付きスタイルにすることができますが、これは従来の製造プロセスでは単一の部品では実現不可能です。
2018年12月3日、画期的な3Dプリント装置「オルガナット」が、第58次長期滞在ミッションを遂行するソユーズMS-11宇宙船によって国際宇宙ステーションに送られました。このプリンターは、Invitero の子会社である 3D Bioprinting Solutions によって製造されました。その後、インビテロ氏は国際宇宙ステーションから送られてきた、マウスの甲状腺がどのように印刷されたかを示す一連の写真を受け取った。
2021年3月、フランスのサフラングループの子会社であるサフランランディングシステムズは、SLMソリューションズの選択的レーザー溶融（SLM）技術を使用してビジネスジェットの前脚部品を製造し、ビジネスジェット用として初めて3Dプリントされた大規模なチタン合金の前脚シェルを作成しました。
具体的には、車輪から航空機構造に荷重を伝達する部品の 1 つを金属積層造形法で製造しました。この部品は離陸後に機体内に格納され、寸法は 455mm × 295mm × 805mm で、金属積層造形法で製造するにはかなり大きな体積です。この製造方法により、サフランは機械的特性を維持しながら部品の総重量を 15% 削減することができました。この部品はチタンから 3D プリントされており、高い応力にさらされます。
航空機の着陸装置には、離陸、着陸、ブレーキといった重要な機能があることは明らかです。サフランランディングシステムズ社は、大きなストレスを受ける構造要素である車輪から伝わるストレスに耐えられる部品の開発に特に関心を持っていました。車輪は、着陸装置を航空機の下に格納できるようにピボット上で回転できなければならず、また航空機の車輪からの機械的ストレスを吸収できなければなりません。このような性質とサイズの部品に積層造形法を使用するのは世界初です。
3D プリントされたコンポーネントはチタン製の着陸装置ハウジングで、クアッドレーザー技術と信頼性で定評のある SLM ソリューションズの金属加工機 SLM 800 で印刷されました。チームは積層造形法を使用することで、全体の質量を 15% 削減しただけでなく、製造時間も短縮しました。
材質に関しては、堅牢性と耐腐食性を考慮してチタンが選択されました。従来、部品はアルミニウムで設計され、鍛造プロセスで製造されていましたが、3D プリント用に設計するという選択肢があったため、この金属は適していませんでした。部品の表面の 70% は機械加工されず、機能面のみが機械加工されるため、ボックスの寿命が長くなります。サフラン・ランディング・システムズは現在、認証プロセスの重要なステップとなる3Dプリント部品のテストを2022年に計画している。
中国の3Dプリントチタン合金航空宇宙製品<br /> 中国の大型チタン合金構造部品のレーザー成形技術は国際的にトップレベルにあり、航空機用チタン合金の大型主荷重構造部品のレーザー急速成形技術を習得し、実用化を実現した世界で唯一の国である。メディアの報道によると、3Dプリント技術は艦載機や第4世代機など新型軍用機の開発に重要な役割を果たしており、着陸装置を含むチタン合金の主要荷重支持部品の試作も行っている。
2020年5月5日、中国初の長征5号Bロケットの飛行に成功し、新世代の有人宇宙船試験船が搭載されたが、この試験船には「3Dプリンター」も搭載されていた。これは中国初の宇宙3Dプリント実験であり、宇宙での連続繊維強化複合材料の3Dプリント実験としては世界初となる。
3D プリントされたアルミニウム合金航空宇宙製品は、アルミニウム合金やアルミニウムベースの複合材料など、数多くあります。いくつかの製品の簡単な説明は次のとおりです。
1. 米国メルダー社の大型部品。同社は2019年に独自の3Dプリント技術を活用し、6061アルミニウム合金粉末を使用した直径1,400mmを超える大型リング（写真参照）を生産し、3Dプリント部品の分野で画期的な成果を上げた。使用される技術は固体プロセスです。処理中、材料は溶融温度に達しません。製品の残留応力は非常に低く、サイズと形状は正確です。
2. 2015年6月、ロシアテクノロジーグループ株式会社は3Dプリント技術を使用してアルミニウム製ドローンのプロトタイプを作成しました。印刷時間は31時間、重量は3.8kg、翼幅は2400mm、飛行速度は時速90km～100km、持続時間は1～1.5時間でした。
3. 10m級高強度アルミ合金製大型ロケット連結リングサンプル。2021年1月、国家付加製造イノベーションセンターの呂炳恒院士と西安交通大学のチームは、3Dプリント技術を使用して、世界初の10m級高強度アルミ合金製大型ロケット連結リングサンプルを製作した。このサンプルは、アークヒューズの付加的および減算的統合製造技術を使用しており、製造プロセス全体の安定性、精度制御、変形および応力の調整において大きな技術的進歩を達成しました。
10メートル級の超大型アルミ合金リングは、大型運搬ロケットタンクの単体部、前後底部、タンク間部を連結する重要な構造部品です。サンプルの重量は約 1 トンで、革新的なマルチワイヤ共同プロセス装置を使用することで、製造プロセスが大幅に簡素化され、コストが大幅に削減され、製造サイクルが 1 か月に短縮されます。
現時点では、積層造形と切削造形を統合した技術を用いた超大型リングの完成は世界初の事例であり、この成果は中国の航空宇宙産業における積層造形の輝かしい発展に貢献するとともに、中国の航空宇宙産業における主要部品の迅速な製造に技術サポートを提供するものとなるだろう。

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