航空機エンジンのメンテナンスにおける3Dプリント技術の応用

出典: 3Dプリンティング研究所

3Dプリント技術は近年急速に発展しており、国内外の航空分野における最先端の研究技術および応用分野の一つとなっています。航空分野における 3D プリントの応用は、主要部品の製造だけでなく、航空機エンジンのメンテナンスへの応用でも注目を集めています。まず最初に、航空機エンジンのメンテナンスシナリオには何が含まれるのかをお話しします。

1. エンジンメンテナンス用スペアパーツの調達
2. エンジン戦場装備の緊急整備
3. 航空機エンジン整備における部品の再生

エンジンメンテナンス用スペアパーツの調達が困難です。

01 一般的に、これらのスペアパーツの購入には、寿命が限られた部品、摩耗部品、交換が必須の部品が含まれます。

国産航空エンジンの現状は「多品種少量生産」であり、輸入エンジンの一部が現在も使用されているため、互換性のないスペアパーツが多種多様化している。そのため、スペアパーツ調達後の在庫管理には次のような多くの問題があります。
1. 必要なスペアパーツが在庫切れのため、生産の進捗に影響します。
2. 大量の在庫が期限切れまたは古くなり、経済的無駄が生じます。
3. 在庫運用コストが高く、在庫を数えて維持するために多くのスペースと人手が必要です。3Dプリントを使用して必要なスペアパーツを製造することで、従来の方法を使用していたため、短期間で設備やプロセスなどの基本条件を満たすことができなかった航空エンジンメンテナンス会社でも部品を製造することができ、製造コストを節約できるだけでなく、メンテナンスサイクルも短縮されます。

02 今後の情報化ハイテク戦争では、戦場で損傷した部品の交換が必要になった場合、エンジン戦場装備の緊急メンテナンスも最優先事項となるでしょう。
緊急メンテナンスにおいて最も重要な条件は、「タイムリー」かつ「迅速」であることです。戦場での被害を時間内に除去できない場合、装備品の部品が故障して修理できないというジレンマに陥る可能性があります。
しかし、3Dプリンター設備を使用すれば、戦場で必要な部品を直接製造し、組み立てた後に戦場に投入することができ、まさに「緊急」修理を実現できます。

03 欧米では、コンプレッサーブレード、タービンブレードなどの航空機エンジンの主要部品の再生技術は、厳しくブロックされている重要なコア技術です。これは、エンジンが作動するたびに、これらの部品がひどく損傷して廃棄され、エンジンのメンテナンスサイクルとコストを制限する主な要因になるためです。

実際、上記の 3 つのメンテナンスアプリケーションシナリオの中核は、3D プリント技術の製造と再製造です。航空エンジンの金属部品の製造と再製造に適した 3D プリント技術は、主に次の図のとおりです。

エンジンメンテナンススペアパーツの購入とエンジン戦場装備の緊急メンテナンスという2つのシナリオは、主に3Dプリント技術を使用して航空エンジン部品を製造することに関係しています。3Dプリント研究所は実際にこの点に関していくつかの記事を発表しています。

そこで、今日の焦点は、エンジン部品の修理と再製造における 3D プリント技術の応用にあります。

このプロセスでは、「3D プリント再製造」という技術概念が適用されます。これは「付加修復技術」とも呼ばれ、3D プリント技術と再製造技術の統合を指します。
近年、実装段階に入った3Dプリント再製造技術の種類には、レーザー再製造技術、再製造ブランクラピッドプロトタイピング技術、冷間/熱間スプレー技術、さまざまなタイプの表面処理などがあります。
しかし、スプレー技術や各種クラッディング技術には一定の限界があります。

例えば、溶射技術はコーティング内部の気孔率が1％～2％で、コーティングと基材の接着強度が低い。また、表面処理技術は、大面積の堆積操作を行う際に効率が低く、コストが高く、表面精度が低いなどの問題があり、グリーン循環経済には適していません。

△溶射技術そのため、現在、主要な重要部品の修理と再生に最も広く使用されている技術は、レーザー再生技術です。
レーザー再製造技術は、グリーン循環経済によって強く推奨されている技術です。主な特徴は、省エネ、資源節約、生態環境保護であり、廃棄部品の余剰価値を開発・活用することで、大量の廃棄部品や故障部品が生態環境に与える損害を軽減します。

レーザー再生技術は、レーザー再生の前処理、中処理、後処理に使用できます。具体的な技術分類は次のとおりです。

△レーザー再生技術分類図における「レーザー成形・修復技術」はレーザー再生技術の中核であり、そのうちレーザークラッディング成形とレーザーラピッド成形は3Dプリント技術に属します。現在最も広く使用されているのはレーザークラッディング成形技術です。

では、レーザークラッディングとは何でしょうか?メンテナンスのプロセスは何ですか?

△レーザークラッディング成形レーザークラッディング成形技術は、故障した部品を再生し、耐用年数を延ばすことができる表面付加技術です。高エネルギーレーザービーム照射を利用して、基材の表面に特殊な物理的、化学的、または機械的特性を持つ材料の層を急速に溶融、膨張、固化させ、基材とは異なる新しい材料を形成して、マトリックスの高性能の不足を補います。

また、レーザークラッディング技術は、一体化した成形と性能のニーズを満たすことができる積層造形技術でもあります。精密な成形と高性能の両方の性能を考慮に入れることができ、レーザー技術、コンピューター技術、CNC技術、材料技術など、多くの現代の先進技術を統合し、徐々にインテリジェントな製造を実現できる先進技術へと発展してきました。

レーザークラッディング技術の利点は、主に以下の点に反映されています。
1. レーザービームはエネルギー密度が高く、レーザークラッディングを実現するために注入する必要があるエネルギーはわずかです。
2. レーザークラッディング層は希釈率が比較的低く、精密に制御できます。クラッディング材料の組成によって、クラッディング層の組成と性能も決まります。
3. レーザークラッディング層は微細欠陥が少なく、より緻密な構造になっています。
4. クラッド層を正確に制御する能力。

メンテナンスの主なプロセスは次のとおりです。

しかし、航空機エンジンのメンテナンスにおける 3D プリント技術の応用には、まだいくつかの問題が残っています。
1. 多くの航空機エンジンメンテナンス会社には 3D プリント技術が欠けています。
2. 再生品に対するユーザーの認知度を向上させる必要がある。

結論

科学技術の継続的な発展により、新しい高出力レーザーは材料のエネルギー吸収をより適切に満たすことができ、シミュレーションソフトウェアの継続的な更新もレーザークラッディング技術の革新とさらなる発展を保証します。グリーン3Dプリント再生技術の一つであるレーザークラッディング技術は、航空機エンジンのメンテナンスや再生に深く活用されるだけでなく、他の分野でも徐々に認知されていくと考えられています。

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