チタン合金の使用増加の主な要因の 1 つは、航空宇宙製造における炭素繊維複合材の広範な応用です。チタン合金と炭素繊維複合材料は優れた適合性を示し、高い強度と耐食性を備えているだけでなく、効果的な軽量化も実現しているため、複合材料と接触する高応力領域や重要な部品に特に適しています。-しかし、このチタン合金の使用量の急増は、航空宇宙産業にとって二重の課題をもたらしています。まず、チタン合金は高価値の金属であり、従来の鍛造プロセスでは材料利用率が非常に低くなり、原材料の最大 80% ～ 95% が機械加工中に無駄になる可能性があり、航空宇宙産業の無駄のない製造と持続可能な開発の追求に課題をもたらしています。-第二に、航空機の性能を継続的に最適化するためには、より効率的で軽量な構造設計への依存がますます高まっている一方、従来の製造プロセスでは、複雑な統合構造を実現する際に、高コスト、長いリードタイム、または技術的不可能性などの制限に直面することがよくあります。それでは、材料廃棄物という緊急の問題に対処し、同時に複雑な構造設計の将来の可能性を解き放つ製造方法はあるのでしょうか?航空宇宙メーカーであるエアバスは、長年にわたって実践してきたワイヤー指向性エネルギー堆積法 (w{9}}DED) 積層造形技術でこれらの質問に答えました。
W-DED はどのように機能しますか?
エアバスは、この技術ではデジタル モデルに従って正確に動くチタン合金ワイヤ リールを備えた多軸ロボット アームを使用していると説明しています。{0}レーザー、プラズマ、電子ビームなどのエネルギーをワイヤーに集中させると、ワイヤーは瞬時に溶解され、基板上に層ごとに堆積されます。表面的には、このプロセスは溶接に似ていますが、実際には 3 次元モデルによって完全に制御されており、材料を下から上にいわゆる「ブランク パーツ」に「印刷」することができます。-このブランク部品はすでに最終的な望ましい形状に非常に近く、「ニア-ネット-形状」の状態に達しており、部品の正確な寸法要件を満たすには迅速な仕上げのみが必要です。
大型航空機用チタン合金構造部品の可能性を引き出す
大型航空機用チタン合金構造部品の可能性を引き出す
金属 3D プリンティング技術は約 10 年前から航空宇宙分野で使用されてきましたが、これまでは主に小型部品に限定されていました。 「パウダーベッド」3D プリンティング システムは通常、60 センチメートル（約 2 フィート）より短い部品の製造に使用されます。対照的に、w-DED 技術により、エアバスはサイズの制限を克服し、長さ最大 7 メートル（23 フィート以上）の大型チタン合金構造コンポーネントを製造することができました。新しいプロセスは、1 時間あたり数キログラムの材料の生産速度を約束します。これにより、大型民間航空機の構造部品の 3D プリント技術の産業-大規模-生産が可能になります。
チタン原料の廃棄削減に貢献
今日の持続可能で無駄のない製造の追求において、従来の鍛造プロセスは、航空宇宙メーカーの厳しいコスト管理と資源効率の要件を満たすのに苦労しています。エアバスが DED 積層造形を導入した主な理由の 1 つは、最初から加工中の材料の無駄を避けるためです。これは、DED 積層造形では、部品がニアネットシェイプで層ごとに成長し、最終的な設計形状に酷似しており、後続の機械加工は最小限で済むためです。--
航空機開発の機敏性の向上
従来の型鍛造プロセスでは、大きく複雑な金型の製造が必要であり、このプロセスには最大 2 年かかる場合があり、多額の先行投資が必要です。対照的に、3D プリント部品の形状はコンピュータ プログラムによって完全に定義されるため、納品サイクルはわずか数週間に短縮されます。- W-DED が提供する機敏性は、最初のプロトタイプのスムーズかつタイムリーな製造に特に有益です。-詳細な設計がまだ微調整され最適化されている間でも、このテクノロジーは航空機全体が最終組み立てに入るまで物理コンポーネントの迅速な反復をサポートします。-
A350 生産における最初の検証
エアバスは最近、A350 航空機の貨物ドア周囲構造に WDED 技術を使用して製造された大型コンポーネントの量産統合を開始しました。{0}この検討段階では、エアバスによって設計されたこれらの特定の部品が、認定サプライヤーによってプラズマ WDED テクノロジーを使用して印刷され、次にテスティア ブレーメンによって超音波テストされ、最終的にエアバス自社の工場で仕上げられて組み立てられます。-これらの部品は、置き換えられる従来の鍛造部品と機能的および幾何学的に同一ですが、大幅なコスト削減を実現しています。今後を見据えて、エアバスは A350 の WDED コンポーネントを出発点として使用し、この技術を他のプロジェクトや航空機のより重要な部分 (長期的には翼や着陸装置など) に徐々に拡張する予定です。-
DED 用に設計
さらに重要なのは、このテクノロジーが「DED 用に設計された」という新しい概念を生み出したことです。エンジニアは、複雑なコンポーネントを複数の独立した部品に分解して、個別に製造および組み立てする必要がなくなりました。代わりに、構造的に最適化された単一の統合コンポーネントとして設計し、一度に印刷できます。複数の部品を 1 つのコンポーネントに統合できるこの機能により、サプライ チェーンが効果的に簡素化され、組み立て手順が削減され、生産サイクルが短縮されます。これにより、3D 設計コンセプトに基づいた次世代航空機の可能性が最大限に発揮されます。-
主要コンポーネントの製造応用を推進
現在、エアバスとそのパートナーは、W{0}}DED（ウェーハ-トゥ-）技術を使用した主要コンポーネントの製造経験の蓄積において大きな進歩を遂げており、目覚ましい進歩を遂げています。エンジニアは、プラズマ、アーク溶接、電子ビーム、レーザー ビームなどのさまざまなエネルギー源をテストし、同時に「アウトソーシング」(印刷を外部メーカーに委託する) 戦略と「社内製造」(社内生産) 戦略の両方を評価しています。-さらに、この技術はエアバスグループレベルで標準化され、全社への適用と推進が確実に行われます。
耐空性の論理を体系的に発展させる
耐空証明で最も時間がかかり、困難な点は、安全性の認識、つまり材料が安全であることを証明する方法です。国際民間航空製造業界は、長年にわたる実践を通じて経験を蓄積してきました。耐空証明について言及するとき、実際には航空機部品の証明を指します。これには、材料、プロセス、設計の 3 つの側面が含まれます。積層造形-3D プリンティング テクノロジー-には、3 つの要素すべてが含まれます。まず、積層造形は製造プロセスです。一方、このテクノロジーの価値を最大化するには、積層造形のための設計が必要です。部品の積層造形に新素材を使用すると、安全性の検証が必要な要素がさらに追加されます。したがって、最も安全なアプローチは、リスクを最小限に抑えてこの問題を段階的に解決することです。チタン合金 DED 積層造形に対するエアバスのアプローチは、上記のインタビューで説明した「3 段階」の耐空性ロジックを反映しています。まず、A350 貨物ドアなどの二次耐荷重構造から始めて、材料と設計を変更せずに、W{17}}DED プロセス自体の信頼性が検証されました。その後、徐々に主要な耐荷重構造に拡張され、「DED 用に設計された」最適化が促進されました。{20}現在、材料、プロセス、デザインにおけるまったく新しい道に同時に挑戦するのではなく、新しいプロセスで従来の材料の可能性を解き放つことに重点が置かれています。この段階的でリスク管理されたアプローチは、工業化に必要なリズムを反映しているだけでなく、航空宇宙積層造形の本質を明らかにしています。-これは単なる技術革新ではなく、「信頼構築」の体系的なプロジェクトでもあります。技術革新を、耐空性の枠組み内で認証および量産できる信頼性の高い価値に変える方法、およびその基礎となるタイミング、リスク階層化、検証ロジックは、特定の技術的な詳細よりも業界で深く検討する価値があるかもしれません。