新興航空機：航空業界における積層造形の大規模応用のための新しいプラットフォーム

出典：国際航空著者：尹鵬燕、中国航空産業発展研究センター

2020年10月、超音速民間航空機メーカーのBoom Supersonicは、同社初の超音速実証機XB-1を発売した。XB-1は、設計・製造から使用材料まで、全面的に刷新された。特に、積層造形技術の活用に成功し、エンジンなどの高温・複雑な構造部品におけるチタン合金材料の自由な設計・製造を実現し、品質管理の向上を図ったほか、開発・メンテナンスコストも大幅に削減した。

ブームは2016年にXB-1超音速旅客機の設計とパラメータを発表し、その検証機を公開した。 2017年、ブーム社はXB-1の空気取り入れ口、翼、垂直尾翼の設計を変更し、その後、日本航空、アドベント・エアクラフト・システムズ、ストラタシス、VELO 3D、米空軍との協力関係を確立した。ブームは2020年に静的翼面荷重試験、翼構造組立、主要ドッキング試験を完了し、10月に第2世代検証機を発売した。

XB-1 は、乗客定員 55 ～ 75 人を誇る超音速旅客機 Overture の 1/3 スケールのプロトタイプです。 XB-1は2人乗り設計で、全長21.64メートル、翼幅6.4メートル。GE J85-15エンジン3基を搭載し、巡航速度はマッハ2.2。ブーム社によれば、XB-1はその後地上試験を受け、100％カーボンニュートラルテストを経て2021年に初飛行する予定だという。同時に、「プレリュード」推進システムの設計・製造を完了し、風洞実験・検証を実施する。 XB-1が飛行試験中に音速の壁を突破すると、ブーム社はオーバーチュアの設計を完成させ、2025年に本格的な超音速旅客機を発売する予定だ。
ヴァージン・グループと日本航空はすでにこの航空機30機を予約している。

チタン合金部品の積層造形の利点 ブームは2019年からVELO 3Dと提携し、チタン合金部品の積層造形に取り組んでいます。VELO 3Dは同社の「サファイア」システムを使用して、XB-1の主要航空機部品の開発と製造を行いました。これらのチタン合金部品のほとんどは、エンジン、環境制御システム、構造部品に使用されています。

最新の XB-1 デモンストレーターには、エンジンコンプレッサーから航空機の外側モールドライン (OML) に空気を送る可変バイパスバルブ (VBV) システムマニホールド、コックピットと電子システムコンパートメントを冷却する環境制御システム (ECS) の排気ルーバー、中央の空気入口から外側モールドラインに二次ブリード空気を導くルーバー、NACA ダクト、および 2 つのスプリッターフランジ構造コンポーネントなど、21 個のチタン積層造形部品が取り付けられています。

VELO 3D は、既存の技術を限界まで拡張し、薄肉チタン合金部品を印刷できるプロセス技術を開発しました。同社の「Sapphire」システムは、「Smart Fusion」と呼ばれる技術を使用して、レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) プロセスで金属粉末を焼結し、独自の「サポートフリー」製造技術によって多数のサポート構造を排除します。このシステムは、Flow 前処理ソフトウェアと Assure 品質管理ソフトウェアも統合しており、効率、品質の一貫性、処理の安定性に対する生産現場のニーズを満たすことに重点を置いています。

△XB-1超音速旅客機検証機に搭載されたチタン合金積層造形部品。
構造設計は製造方法を妥協する必要がない 付加製造技術を活用することで、コンポーネントの設計の柔軟性を高めることができます。ますます信頼性が高まる製造技術に支えられ、Boom は部品の軽量化と薄壁形状の進歩を実現する新しい薄壁部品シリーズを設計しました。

XB-1 の 3D プリント部品の多くはブリードエアフローに関係しており、複雑なブレード、ダクト、窓パネルなど、部品の動作環境は 260°C を超えます。 Flow プリプロセスソフトウェアを使用することで、設計者は NACA ダクトの薄い壁に構造リブを追加して強度を高め、他のほとんどの部品はデジタルモデルから直接製造されました。

△1kWデュアルレーザーヘッドでチタン粉末を焼結、溶融、堆積させてニアネットシェイプ部品を製造します。

△前処理ソフトウェアにより、NACAダクトの薄肉部に補強リブを生成し、構造強度を高めます。
加工が難しいチタン合金の高品質印刷 一部の薄肉チタン合金部品は、鋳造プロセスでは製造できません。VELO 3D のソリューションを利用すると、印刷パラメータと印刷シーケンスを最適化することでベースの内部応力が軽減されます。冷却プロセス中に形成される内部応力は、Z 軸方向の材料の蓄積によって軽減され、割れの可能性が減ります。非接触の粉末拡散方法により、摩擦や衝突のリスクが回避され、中央の空気取り入れ口、排気窓パネル、中空ブレードなどの大型の薄肉部品の印刷が確実に成功し、内部強度を高めるために余分な材料を使用する必要がありません。

薄肉部品を製造する場合、プロセス制御が重要です。物理モデルに基づくリアルタイムのマルチセンサー検出アルゴリズムに基づいて、コンピュータ上でクリックするだけで、事前に構築された部品のキャリブレーションを実行できます。ソフトウェアは主要な変数を自動的にチェックできます。プロセス中に主要な指標を定量的に監視し、異常があればマークすることもできます。すべてのデータポイントは、後で参照できるように保存される有益なレポートにまとめられ、部品のトレーサビリティと製造品質が向上し、プロセスエラー、特に反復的なエラーのリスクが軽減されます。

△XB-1の各エンジンには可変バイパスバルブ（VBV）システムが搭載されています。このシステムはコンプレッサーの空気を抜き、エンジンが停止するのを防ぎます。左側は Flow 前処理ソフトウェアからのデジタルモデル、中央は 3 つの印刷された部品、右側はウィンドウパネルブレードです。

後処理を簡素化する 仕上げ工程中に部品を保持するための固定具を作成する場合、複雑な形状の部品では、CAD モデルを使用して固定具の形状をすばやく設計し、カスタマイズされた固定具を別の熱溶解積層法 (FDM) プリンターで印刷できます。

印刷部品の平均表面粗さはRa250です。 XB-1 部品の重要な要素は形状と強度であり、VELO 3D では部品の表面処理は不要ですが、VELO 3D では簡単な手順で部品の表面粗さを Ra 125 にまで達させることができると述べています。完成した部品は、疲労寿命を向上させるために、熱処理や熱間静水圧プレスされることがよくあります。

△XB-1のVBV胴体マニホールドの内部チャネルにはサポート構造が全くなく、材料、後処理時間、労力を大幅に節約します。
付加製造技術のその他の応用 Boom 社は、チタン部品の積層造形のために VELO 3D 社と協力するだけでなく、積層造形ソリューションプロバイダーの Stratasys 社とも提携し、同社の F900 装置と Aircraft Interior Solutions (AIS) ソフトウェアパッケージを組み合わせて、XB-1 用の 3D プリント部品を数百個作成しました。これらの 3D プリント部品は XB-1 に直接組み込まれるだけでなく、ツール、プロトタイプ、テストベンチなど他の場所でも使用できます。たとえば、チタンパネルを後部胴体に取り付ける際、ほぼすべての留め具穴は 3D プリントされたドリルビットを使用して作られ、こうした付加製造技術を使用することで何百時間もの作業時間を節約できました。

△XB-1後部胴体部分の組み立て風景。
実際、安全性と認証プロセスを非常に重視する従来の商用航空と比較すると、これらの新しいコンセプトの航空機は、付加製造などの「古くて新しい技術」のより広い応用空間を提供します。航空業界における積層造形の応用に関するご質問は、この公開アカウントの過去のレポート「決して到達できない未来？積層造形技術はいつ谷間から抜け出すのか？」を参照してください。

したがって、XB-1 プロトタイプの打ち上げ成功は、商業用超音速飛行のための新興航空機技術の転換点となり、製品の研究開発と製造を加速させる付加製造の革新的な能力を実証しています。複合材料、チタン合金、耐熱合金などの荷重支持部品や高温部品の製造において、付加製造技術は製造精度、速度、品質管理などの面で新たな進歩を遂げ続け、標準化、識別認証、バリューチェーン統合においてより統一され、完璧になるため、付加製造は超音速航空機が商業および製造競争の新たなフロンティアとなることに貢献するでしょう。

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