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、医療分野に次いで2番目に大きな積層造形（AM）の活用産業である。しかし、航空宇宙部品の迅速な製造、柔軟性の向上、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、まだ十分に認識されていない。AMは、より強く軽量なセラミック部品をより迅速かつ持続可能な方法で製造できるため、人件費の削減、手作業による組み立ての最小化、モデリングによる設計開発を通じた効率と性能の向上、ひいては航空機の軽量化につながる。さらに、積層造形セラミック技術は、100ミクロン以下の微細な形状についても、完成部品の寸法精度を制御できる。
しかし、「セラミック」という言葉は、脆いという誤解を生むかもしれません。実際には、積層造形されたセラミックは、軽量で微細な部品でありながら、優れた構造強度、靭性、そして幅広い温度範囲への耐性を備えています。先進的な企業は、ノズルやプロペラ、電気絶縁体、タービンブレードなど、セラミック製の部品製造に着手しています。
例えば、高純度アルミナは硬度が高く、耐食性と耐熱性にも優れています。また、アルミナ製の部品は、航空宇宙システムでよく見られる高温環境下でも電気絶縁性を発揮します。
ジルコニア系セラミックスは、ハイエンド金属成形品、バルブ、ベアリングなど、極めて厳しい材料要件と高い機械的応力が求められる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、高靭性、優れた耐熱衝撃性に加え、様々な酸、アルカリ、溶融金属による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などに使用されています。
複合セラミックスは、いくつかの望ましい特性を備えています。アルミナとジルコンを添加したシリコン系セラミックスは、タービンブレード用の単結晶鋳造において優れた性能を発揮することが実証されています。これは、この材料で作られたセラミックコアが、1,500℃までの非常に低い熱膨張率、高い多孔性、優れた表面品質、そして良好な浸出性を備えているためです。これらのコアを3Dプリントすることで、より高い動作温度に耐え、エンジンの効率を高めることができるタービン設計を実現できます。
セラミックスの射出成形や機械加工は非常に難しく、機械加工では製造対象部品へのアクセスが限られることはよく知られている。薄肉構造などの形状も加工が難しい。
しかし、Lithoz社はリソグラフィーをベースとしたセラミック製造（LCM）技術を用いて、精密で複雑な形状の3Dセラミック部品を製造している。
CADモデルを基に、詳細な仕様がデジタルデータとして3Dプリンターに転送されます。次に、精密に配合されたセラミック粉末を透明な容器の上部に塗布します。可動式の構築プラットフォームを泥の中に浸し、下から可視光を選択的に照射します。投影システムと連動したデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）によって、層状の画像が生成されます。このプロセスを繰り返すことで、3次元のグリーンパーツを層ごとに生成できます。熱処理後、バインダーを除去し、特殊な加熱プロセスによってグリーンパーツを焼結することで、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パーツが完成します。
LCM技術は、タービンエンジン部品の精密鋳造において、革新的で費用対効果が高く、かつ迅速なプロセスを提供します。これにより、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製造工程を回避できます。
LCMは、他の方法では実現できないデザインを実現できるだけでなく、他の方法よりもはるかに少ない原材料で済むという利点もある。
セラミック材料とLCM技術には大きな可能性が秘められているにもかかわらず、AM（積層造形）の相手先ブランド製造業者（OEM）と航空宇宙設計者の間には依然としてギャップが存在する。
理由の一つとして、特に厳格な安全基準と品質基準が求められる業界において、新しい製造方法への抵抗があることが挙げられる。航空宇宙製造では、多くの検証および認定プロセスに加え、徹底的かつ厳格な試験が必要となる。
もう一つの障害は、3Dプリンティングは主に一度限りの迅速なプロトタイピングにしか適しておらず、空中で使用できるようなものには向かないという認識です。これもまた誤解であり、3Dプリントされたセラミック部品は量産にも使用できることが実証されています。
例えば、タービンブレードの製造では、AMセラミックプロセスによって単結晶（SX）コアに加え、指向性凝固（DS）および等軸鋳造（EX）による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、多層構造、200μm未満の後縁を持つコアも迅速かつ経済的に製造でき、最終部品は一貫した寸法精度と優れた表面仕上げを実現します。
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（積層造形）OEM（相手先ブランドによる製造）企業を結びつけ、LCM（レーザー溶融積層造形）などの技術を用いて製造されたセラミック部品への信頼を高めることができる。技術と専門知識は既に存在する。必要なのは、AMを研究開発や試作のためのものとして捉えるのではなく、大規模な商業用途への道筋として捉えるという考え方を変えることである。
航空宇宙企業は、教育に加えて、人材、エンジニアリング、およびテストにも時間を投資することができます。製造業者は、金属ではなくセラミックスを評価するためのさまざまな規格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スに関する 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、すべての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、印刷工程は単なる成形方法であり、部品は従来のセラミックスと同じタイプの焼結を受けます。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よく似ています。
材料と技術の継続的な進歩に基づき、設計者はより多くのデータを得られるようになると確信しています。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合わせて開発・カスタマイズされるでしょう。AMセラミックス製の部品は、航空宇宙分野での使用に向けた認証プロセスを完了するでしょう。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るでしょう。
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し、時間短縮、コスト削減、そして自社独自の知的財産開発の機会を創出できます。先見性と長期的な計画に基づきセラミック技術に投資する航空宇宙企業は、今後10年間、そしてそれ以降も、生産ポートフォリオ全体において大きなメリットを享受できるでしょう。
AMセラミックス社との提携により、航空宇宙機器メーカーはこれまで想像もできなかったような部品を製造できるようになる。
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ス・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する予定です。
極超音速飛行システムの開発は数十年前から行われてきたが、現在では米国の国防における最優先事項となり、この分野は急速な成長と変化を遂げている。独自の学際的分野であるため、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が課題となっている。しかし、専門家が不足すると、例えば研究開発段階で製造性設計（DFM）を優先してしまい、コスト効率の良い変更を行うには手遅れになってから製造ギャップに陥るなど、イノベーションギャップが生じる。
新たに設立された応用極超音速大学連合（UCAH）のような連携組織は、この分野の発展に必要な人材を育成するための重要な環境を提供する。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開発を行い、重要な極超音速研究を推進することができる。
UCAHをはじめとする防衛関連コンソーシアムは、加盟企業に様々なエンジニアリング業務に従事することを認めているものの、設計から材料開発・選定、製造工場に至るまで、多様で経験豊富な人材を育成するためには、さらなる努力が必要である。
当該分野においてより持続的な価値を提供するためには、大学連合は、業界のニーズに合わせ、加盟大学を業界に適した研究に参加させ、プログラムに投資することによって、人材育成を優先事項とする必要がある。
極超音速技術を大規模製造可能なプロジェクトへと転換する際、既存のエンジニアリングおよび製造分野の人材不足が最大の課題となる。初期段階の研究が、まさに「死の谷」と呼ばれる研究開発と製造の間のギャップを越えられなければ（多くの野心的なプロジェクトが失敗に終わっている）、実用的で実現可能な解決策を失ってしまうことになる。
米国製造業は超音速で成長を加速できる可能性を秘めているが、遅れをとるリスクは、それに合わせて労働力規模を拡大することにある。したがって、政府と大学の連携による開発コンソーシアムは、製造業者と協力してこれらの計画を実行に移さなければならない。
製造現場から工学研究所に至るまで、業界全体で人材不足が生じており、極超音速市場の成長に伴い、この不足はさらに拡大するだろう。新たな技術には、その分野の知識を広げるための新たな人材が必要となる。
極超音速技術は、様々な材料や構造に関する複数の重要な分野にまたがり、それぞれの分野に固有の技術的課題が存在します。これらの分野には高度で詳細な知識が求められ、必要な専門知識が不足している場合、開発や生産に支障をきたす可能性があります。十分な人材が確保できなければ、高速生産の需要に対応していくことは不可能でしょう。
例えば、最終製品を製造できる人材が必要です。UCAHをはじめとするコンソーシアムは、現代の製造業を促進し、製造業の役割に関心のある学生が確実に参加できるようにするために不可欠です。部門横断的な専門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優位性を維持できるでしょう。
国防総省はUCAHを設立することで、この分野における能力構築に、より集中的なアプローチを採用する機会を創出しています。すべての連合メンバーは協力して学生の専門能力を育成し、研究の勢いを維持・拡大して、我が国が必要とする成果を生み出す必要があります。
現在閉鎖されているNASA先進複合材料アライアンスは、人材育成の成功例と言えるでしょう。その有効性は、研究開発活動と産業界の関心を融合させた結果であり、イノベーションが開発エコシステム全体に広がることを可能にしました。業界リーダーたちは、NASAや大学と2～4年間、直接プロジェクトに取り組みました。すべてのメンバーは専門知識と経験を積み、競争のない環境で協力することを学び、将来の主要産業人材を育成する大学生を育成しました。
この種の人材育成は、業界のギャップを埋め、中小企業が迅速に革新を起こし、事業分野を多様化してさらなる成長を達成する機会を提供するものであり、米国の国家安全保障および経済安全保障の取り組みに貢献する。
UCAHを含む大学間の連携は、極超音速分野および防衛産業において重要な資産です。これ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人材育成能力にあります。コンソーシアムは今、こうした計画への投資を優先する必要があります。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できるでしょう。
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.
航空機部品のような複雑で高度な技術を要する製品を製造する企業は、常に完璧を目指して努力する。そこには一切の妥協の余地はない。
航空機の製造は極めて複雑であるため、製造業者は品質管理プロセスを綿密に管理し、あらゆる工程に細心の注意を払う必要があります。そのためには、規制要件を満たしながら、生産、品質、安全性、サプライチェーンにおける動的な課題を管理し、適応していく方法を深く理解することが求められます。
高品質な製品の提供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生産指示を管理するのは困難です。品質プロセスは、検査、設計、生産、試験のあらゆる側面において動的でなければなりません。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、こうした品質上の課題は管理しやすくなり、克服しやすくなりました。
航空機製造における従来の焦点は常に材料に置かれていました。品質問題のほとんどは、脆性破壊、腐食、金属疲労、またはその他の要因に起因する可能性があります。しかし、今日の航空機製造には、耐性のある材料を使用した高度に設計された先進技術が用いられています。製品の製造には、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ています。一般的な運用管理ソフトウェアソリューションでは、極めて複雑な問題を解決できなくなる可能性があります。
より複雑な部品はグローバルサプライチェーンから調達できるため、組立工程全体を通してそれらを統合することに、より一層の配慮が必要となる。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す。これほど多くの部品と完成品の品質を確保するには、より高度で統合された品質管理手法が求められる。
インダストリー4.0は製造業の発展を象徴するものであり、厳しい品質要件を満たすためには、ますます高度な技術が求められています。それを支える技術には、産業用IoT（IIoT）、デジタルスレッド、拡張現実（AR）、予測分析などがあります。
Quality 4.0は、製品、プロセス、計画、コンプライアンス、規格を含む、データ駆動型の生産プロセス品質手法を指します。これは、従来の品質手法を置き換えるのではなく、それを基盤として構築されており、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、産業界における同様の最新技術を数多く活用して、組織のワークフローを変革し、製品やプロセスの欠陥を排除します。Quality 4.0の登場は、データへの依存度を高め、製品開発プロセス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革していくことが期待されています。
品質4.0は、運用面と品質保証（QA）面の問題を、設計段階から統合的に捉えます。これには、製品の構想と設計方法も含まれます。最近の業界調査結果によると、ほとんどの市場では自動化された設計転送プロセスが導入されていません。手動プロセスでは、内部エラーやサプライチェーンへの設計変更の伝達ミスなど、様々なエラーが発生する可能性があります。
品質4.0は、設計に加え、プロセス中心の機械学習を活用して、無駄の削減、手戻りの削減、生産パラメータの最適化を実現します。さらに、納品後の製品性能問題の解決、現場からのフィードバックに基づくリモートでの製品ソフトウェアアップデート、顧客満足度の維持、そして最終的にはリピートビジネスの確保にも貢献します。まさに、インダストリー4.0に欠かせないパートナーと言えるでしょう。
しかし、品質は特定の製造工程だけに適用されるものではありません。Quality 4.0の包括性により、製造組織全体に包括的な品質アプローチを浸透させることができ、データの変革力を企業思考の不可欠な要素とすることができます。組織のあらゆるレベルでのコンプライアンス遵守は、総合的な品質文化の形成に貢献します。
生産プロセスは常に100%完璧に稼働するとは限りません。状況の変化によって予期せぬ事態が発生し、是正措置が必要となる場合があります。品質管理の経験を持つ人は、品質とは完璧を目指すプロセスそのものであることを理解しています。問題をできるだけ早期に発見するために、品質管理をプロセスにどのように組み込むべきでしょうか？欠陥を発見した場合、どのような対応を取るべきでしょうか？この問題の原因となる外部要因はありますか？この問題の再発を防ぐために、検査計画や試験手順にどのような変更を加えるべきでしょうか？
すべての生産プロセスには関連する品質プロセスが存在するという考え方を確立しましょう。生産プロセスと品質プロセスが常に1対1の関係で結びつき、継続的に品質を測定する未来を想像してみてください。どんなに予期せぬ事態が発生しても、完璧な品質を実現できます。各作業センターは、問題が発生する前に改善すべき領域を特定するために、指標と主要業績評価指標（KPI）を毎日確認します。
このクローズドループシステムでは、各生産工程に品質推論機能が備わっており、工程の停止、継続、またはリアルタイム調整を行うためのフィードバックが提供されます。このシステムは、疲労や人為的ミスによる影響を受けません。航空機生産向けに設計されたクローズド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規格への準拠を確保するために不可欠です。
10年前は、品質保証を製品設計、市場調査、サプライヤー、製品サービス、あるいは顧客満足度に影響を与えるその他の要因に集中させるという考え方は考えられなかった。製品設計は上位の機関から指示されるものであり、品質とは、欠点の有無に関わらず、それらの設計を組立ラインで実行することだと考えられていた。
今日、多くの企業がビジネスのやり方を見直しています。2018年時点の現状維持はもはや通用しないかもしれません。ますます多くの製造業者が、よりスマートな経営手法を取り入れるようになっています。より多くの知識が利用可能になったことで、より効率的かつ高性能な製品を最初から適切な形で開発するための、より優れたインテリジェンスが実現しているのです。