製造技術コンサルティング会社である SmarTech によると、航空宇宙産業は、積層造形 (AM) が提供される産業の中で、医薬品に次いで 2 番目に大きい産業です。しかし、航空宇宙部品の迅速な製造、柔軟性およびコスト効率の向上におけるセラミック材料の積層造形の可能性については、依然として認識が不足しています。AM は、より強力で軽量なセラミック部品をより迅速かつ持続的に製造できるため、人件費を削減し、手作業による組み立てを最小限に抑え、モデリングによって開発された設計を通じて効率と性能を向上させ、それによって航空機の重量を軽減できます。さらに、積層造形セラミック技術により、100 ミクロン未満の完成部品の寸法制御が可能になります。
しかし、セラミックという言葉からは脆いという誤解が生じるかもしれません。実際、積層造形セラミックは、優れた構造強度、靭性、および幅広い温度範囲に対する耐性を備えた、より軽量で微細な部品を生成します。将来を見据えた企業は、ノズルやプロペラ、電気絶縁体、タービンブレードなどのセラミック製造コンポーネントに注目しています。
例えば、高純度アルミナは硬度が高く、耐食性や温度範囲に優れています。アルミナ製のコンポーネントは、航空宇宙システムで一般的な高温でも電気絶縁性を備えています。
ジルコニアベースのセラミックは、ハイエンドの金属成形品、バルブ、ベアリングなど、極端な材料要件と高い機械的応力を伴う多くの用途に対応できます。窒化ケイ素セラミックスは、高強度、高靱性、優れた耐熱衝撃性を有し、また、さまざまな酸、アルカリ、溶融金属の腐食に対する良好な耐薬品性を備えています。窒化ケイ素は、絶縁体、インペラ、高温低誘電率アンテナに使用されます。
複合セラミックは、いくつかの望ましい品質を提供します。アルミナとジルコンを添加したシリコンベースのセラミックは、タービンブレード用の単結晶鋳物の製造に優れた性能を発揮することが証明されています。これは、この材料で作られたセラミックコアが 1,500°C までの熱膨張が非常に低く、気孔率が高く、優れた表面品質と良好な浸出性を備えているためです。これらのコアを印刷すると、より高い動作温度に耐え、エンジン効率を向上させるタービン設計を作成できます。
セラミックの射出成形や機械加工が非常に難しく、機械加工では製造中のコンポーネントへのアクセスが制限されることはよく知られています。薄肉などの形状も機械加工が困難です。
ただし、Lithoz はリソグラフィーベースのセラミック製造 (LCM) を使用して、正確で複雑な形状の 3D セラミック コンポーネントを製造しています。
CAD モデルから始まり、詳細な仕様が 3D プリンターにデジタル転送されます。次に、精密に配合されたセラミックパウダーを透明なバットの上部に塗布します。可動式建設プラットフォームは泥の中に浸漬され、下から選択的に可視光にさらされます。レイヤー画像は、投影システムに接続されたデジタル マイクロミラー デバイス (DMD) によって生成されます。このプロセスを繰り返すことで、立体的な緑色のパーツをレイヤーごとに生成できます。熱後処理の後、結合剤が除去され、グリーン部品が焼結され、特別な加熱プロセスによって結合され、優れた機械的特性と表面品質を備えた完全に緻密なセラミック部品が製造されます。
LCM テクノロジーは、タービン エンジン部品のインベストメント鋳造に革新的でコスト効率が高く、より迅速なプロセスを提供し、射出成形やロストワックス鋳造に必要な高価で手間のかかる金型の製造を回避します。
LCM は、他の方法よりもはるかに少ない原材料を使用しながら、他の方法では実現できないデザインを実現することもできます。
セラミック材料と LCM テクノロジーの大きな可能性にもかかわらず、AM 相手先ブランド供給メーカー (OEM) と航空宇宙設計者との間には依然としてギャップがあります。
理由の 1 つは、安全性と品質の要件が特に厳しい業界における新しい製造方法に対する抵抗感であると考えられます。航空宇宙産業の製造には、綿密かつ厳格なテストだけでなく、多くの検証および認定プロセスが必要です。
もう 1 つの障害として、3D プリンティングは空中で使用できるものではなく、主に 1 回限りのラピッド プロトタイピングにのみ適しているという考えが挙げられます。繰り返しますが、これは誤解であり、3D プリントされたセラミック部品は大量生産で使用されることが証明されています。
一例はタービンブレードの製造で、AM セラミックプロセスでは単結晶 (SX) コア、方向性凝固 (DS) および等軸鋳造 (EX) 超合金タービンブレードが製造されます。複雑な分岐構造、複数の壁、および 200μm 未満の後縁を備えたコアは、迅速かつ経済的に生産でき、最終コンポーネントは一貫した寸法精度と優れた表面仕上げを備えています。
コミュニケーションを強化することで、航空宇宙設計者と AM OEM が連携し、LCM やその他の技術を使用して製造されたセラミック コンポーネントを完全に信頼できるようになります。技術と専門知識が存在します。研究開発やプロトタイピングに対する AM の考え方を変え、大規模な商用アプリケーションに向けて進むべき道として捉える必要があります。
航空宇宙企業は、教育に加えて、人事、エンジニアリング、テストにも時間を投資できます。メーカーは、金属ではなくセラミックを評価するためのさまざまな基準と方法に精通している必要があります。たとえば、Lithoz の構造用セラミックに関する 2 つの主要な ASTM 規格は、強度試験用の ASTM C1161 と靭性試験用の ASTM C1421 です。これらの規格は、あらゆる方法で製造されたセラミックスに適用されます。セラミック積層造形では、印刷ステップは単なる成形方法であり、部品は従来のセラミックと同じ種類の焼結を受けます。したがって、セラミック部品の微細構造は従来の機械加工と非常に似ています。
素材とテクノロジーの継続的な進歩に基づいて、デザイナーはより多くのデータを取得できると自信を持って言えます。新しいセラミック材料は、特定のエンジニアリング ニーズに応じて開発およびカスタマイズされます。AM セラミックで作られた部品は、航空宇宙で使用するための認証プロセスを完了します。また、改良されたモデリング ソフトウェアなど、より優れた設計ツールも提供されます。
LCM の技術専門家と協力することで、航空宇宙企業は AM セラミックプロセスを社内に導入することができ、時間を短縮し、コストを削減し、自社の知的財産の開発の機会を生み出すことができます。先見性と長期計画があれば、セラミック技術に投資する航空宇宙企業は、今後 10 年以上にわたって生産ポートフォリオ全体で大きな利益を得ることができます。
AM Ceramics とのパートナーシップを確立することで、航空宇宙 OEM メーカーは、以前は想像もできなかったコンポーネントを生産できるようになります。
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
ショーン・アラン氏は、2021年9月1日にオハイオ州クリーブランドで開催されるセラミックエキスポで、セラミック積層造形の利点を効果的に伝えることの難しさについて講演します。
極超音速飛行システムの開発は何十年も前から存在していましたが、現在では米国国防の最優先事項となっており、この分野は急速な成長と変化を遂げています。ユニークな学際的な分野であるため、課題は、その発展を促進するために必要なスキルを持つ専門家を見つけることです。しかし、十分な専門家がいない場合、研究開発段階で製造容易性設計 (DFM) が最初に行われ、費用対効果の高い変更を行うには手遅れになると製造ギャップに変わってしまうなど、イノベーションのギャップが生じます。
新しく設立された応用極超音学大学同盟 (UCAH) などの同盟は、この分野の進歩に必要な人材を育成するための重要な環境を提供します。学生は大学の研究者や業界の専門家と直接協力して技術を開発し、重要な極超音速研究を進めることができます。
UCAHやその他の防衛連合は、メンバーがさまざまなエンジニアリング業務に従事することを認めているが、設計から材料開発、選択、製造ワークショップに至るまで、多様で経験豊富な人材を育成するにはさらなる努力が必要である。
この分野でより永続的な価値を提供するために、大学連合は業界のニーズに合わせ、業界に適した研究にメンバーを参加させ、プログラムに投資することにより、人材育成を優先事項にする必要があります。
極超音速テクノロジーを大規模な製造可能なプロジェクトに転換する場合、既存のエンジニアリングと製造の労働スキルのギャップが最大の課題となります。初期の研究がこの適切に名付けられた死の谷（研究開発と製造の間のギャップ）を越えられず、多くの野心的なプロジェクトが失敗した場合、私たちは適用可能で実現可能な解決策を失ったことになります。
米国の製造業は超音速で加速する可能性があるが、労働力の規模をそれに合わせて拡大することで後れを取るリスクがある。したがって、政府と大学開発コンソーシアムはメーカーと協力してこれらの計画を実行する必要があります。
業界は、製造現場からエンジニアリング研究所まで、スキルのギャップを経験してきました。これらのギャップは、極超音速市場が成長するにつれてさらに広がるでしょう。新興テクノロジーには、その分野の知識を拡大するために新たな労働力が必要です。
極超音速の研究は、さまざまな材料や構造のいくつかの異なる主要領域にまたがっており、各領域には独自の一連の技術的課題があります。高度で詳細な知識が必要であり、必要な専門知識が存在しない場合、開発や生産に支障をきたす可能性があります。仕事を維持するのに十分な人員がなければ、高速生産の需要に追いつくことができなくなります。
たとえば、最終製品を構築できる人材が必要です。UCAH およびその他のコンソーシアムは、現代の製造業を促進し、製造業の役割に関心のある学生を確実に参加させるために不可欠です。部門を超えた専任の人材育成の取り組みを通じて、業界は今後数年間、極超音速飛行計画において競争上の優位性を維持できるようになるでしょう。
UCAHの設立により、国防総省はこの分野での能力構築により重点を置いたアプローチを採用する機会を創出している。研究の勢いを築き維持し、それを拡大して我が国が必要とする成果を生み出すことができるように、連合メンバー全員が協力して学生の専門分野の能力を訓練しなければなりません。
現在は閉鎖されている NASA Advanced Composites Alliance は、人材育成の取り組みの成功例です。その有効性は、研究開発作業と業界の利益を組み合わせた結果であり、これにより開発エコシステム全体にイノベーションを拡大することができます。業界のリーダーは、NASA や大学と直接 2 ～ 4 年間にわたってプロジェクトに取り組んできました。メンバー全員が専門的な知識と経験を積み、非競争環境で協力することを学び、大学生を育成して将来の業界の主要プレーヤーを育成してきました。
この種の労働力開発は業界のギャップを埋め、中小企業が迅速に革新し、分野を多様化してさらなる成長を達成する機会を提供し、米国の国家安全保障と経済安全保障の取り組みに貢献します。
UCAH を含む大学連携は、極超音速分野と防衛産業における重要な資産です。彼らの研究は新たなイノベーションを促進してきましたが、その最大の価値は次世代の労働力を訓練する能力にあります。コンソーシアムは現在、そのような計画への投資を優先する必要がある。そうすることで、極超音速イノベーションの長期的な成功を促進することができます。
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
複雑で高度に設計された製品 (航空機部品など) のメーカーは、常に完璧を追求します。操作の余地はありません。
航空機の製造は非常に複雑であるため、メーカーはすべての段階に細心の注意を払い、品質プロセスを注意深く管理する必要があります。これには、規制要件を満たしながら、動的な生産、品質、安全性、サプライチェーンの問題を管理および適応する方法を深く理解する必要があります。
高品質の製品の納品には多くの要因が影響するため、複雑で頻繁に変更される製造オーダーを管理することは困難です。品質プロセスは、検査、設計、製造、テストのあらゆる側面において動的である必要があります。インダストリー 4.0 戦略と最新の製造ソリューションのおかげで、これらの品質課題の管理と克服が容易になりました。
航空機製造の伝統的な焦点は常に材料にありました。ほとんどの品質問題の原因は、脆性破壊、腐食、金属疲労、またはその他の要因である可能性があります。しかし、今日の航空機の製造には、耐性のある材料を使用する高度な技術が組み込まれています。製品の作成には、高度に専門化された複雑なプロセスと電子システムが使用されます。一般的な運用管理ソフトウェア ソリューションでは、非常に複雑な問題を解決できない可能性があります。
より複雑な部品はグローバル サプライ チェーンから購入できるため、組み立てプロセス全体でそれらの部品を統合することについてさらに考慮する必要があります。不確実性は、サプライチェーンの可視性と品質管理に新たな課題をもたらします。非常に多くの部品や完成品の品質を保証するには、より優れた、より統合された品質方法が必要です。
インダストリー 4.0 は製造業の発展を表しており、厳しい品質要件を満たすためにはますます高度なテクノロジーが必要です。サポート テクノロジーには、産業用モノのインターネット (IIoT)、デジタル スレッド、拡張現実 (AR)、予測分析が含まれます。
Quality 4.0 は、製品、プロセス、計画、コンプライアンス、標準を含むデータ主導の生産プロセスの品質手法を説明します。従来の品質手法を置き換えるのではなく、機械学習、コネクテッド デバイス、クラウド コンピューティング、デジタル ツインなど、業界の同等の手法と同じ新しいテクノロジを多く使用して構築されており、組織のワークフローを変革し、製品やプロセスの欠陥の可能性を排除します。品質 4.0 の出現は、データへの依存を高め、製品作成方法全体の一部として品質をより深く活用することで、職場文化をさらに変えることが予想されます。
Quality 4.0 は、運用と品質保証 (QA) の問題を最初から設計段階まで統合します。これには、製品を概念化し、設計する方法が含まれます。最近の業界調査結果によると、ほとんどの市場には自動化された設計転送プロセスが存在しません。手動プロセスでは、内部エラーであれ、設計や変更のサプライチェーンへの伝達であれ、エラーが発生する余地が残ります。
Quality 4.0 では、設計に加えて、プロセス中心の機械学習を使用して、無駄を削減し、やり直しを減らし、生産パラメータを最適化します。さらに、納入後の製品パフォーマンスの問題を解決し、オンサイトのフィードバックを使用して製品ソフトウェアをリモートで更新し、顧客満足度を維持し、最終的にはリピート ビジネスを保証します。インダストリー 4.0 の切っても切れないパートナーになりつつあります。
ただし、品質は選択された製造リンクにのみ適用されるわけではありません。Quality 4.0 の包括性により、製造組織に包括的な品質アプローチを浸透させることができ、データの変革力が企業の考え方に不可欠な部分となります。組織のあらゆるレベルでのコンプライアンスは、全体的な品質文化の形成に貢献します。
どの生産プロセスも 100% 完璧に実行することはできません。状況が変化すると、修復が必要な予期せぬイベントが発生します。品質の経験がある人は、品質とは完璧に向かうプロセスがすべてであることを理解しています。問題をできるだけ早期に検出するために、プロセスに品質を確実に組み込むにはどうすればよいでしょうか?欠陥を見つけたらどうしますか？この問題を引き起こす外部要因はありますか?この問題の再発を防ぐために、検査計画やテスト手順にどのような変更を加えることができますか?
すべての生産プロセスには関連性のある関連する品質プロセスがあるという考え方を確立します。1 対 1 の関係があり、常に品質を測定できる未来を想像してみてください。ランダムに何が起こっても、完璧な品質を達成することができます。各ワークセンターは指標と主要業績評価指標 (KPI) を毎日レビューし、問題が発生する前に改善すべき領域を特定します。
この閉ループ システムでは、各生産プロセスに品質推論があり、プロセスを停止したり、プロセスを続行したり、リアルタイムで調整したりするためのフィードバックが提供されます。システムは疲労や人的ミスの影響を受けません。航空機生産用に設計された閉ループ品質システムは、より高い品質レベルを達成し、サイクルタイムを短縮し、AS9100 規格への準拠を保証するために不可欠です。
10 年前、製品設計、市場調査、サプライヤー、製品サービス、または顧客満足度に影響を与えるその他の要素に QA を集中させるという考えは不可能でした。製品デザインはより高い権威からのものであると理解されています。品質とは、欠点に関係なく、これらの設計を組立ラインで実行することです。
現在、多くの企業がビジネスのやり方を見直しています。2018 年の現状維持はもはや不可能かもしれません。ますます賢くなっているメーカーが増えています。より多くの知識が利用できるようになり、より高い効率とパフォーマンスで適切な製品を初めて構築するためのより優れたインテリジェンスが得られることになります。