航空機部品製造業の設計部門の新入社員向け！積層造形（AM）を用いた軽量化部品の設計戦略

積層造形（AM）の基本

積層造形（Additive Manufacturing、以下AM）は、3Dプリンター技術を駆使して材料を3次元的に積み上げることで製品を作り出す方法です。
従来の製造方法と比較して、材料の無駄を少なくし、複雑な形状や内部構造の設計を可能にします。
これにより、航空機部品の軽量化や機能統合が期待されているのが大きな特徴です。

AMには、材料押出法、粉末床溶融結合法、樹脂積層造形法などいくつかの方式があります。
各方式は異なる特性を持ち、その用途に応じて最適な選択が必要です。
航空機部品では、特に金属材料を用いた粉末床溶融結合法が主流となっています。

航空機部品の軽量化の重要性

航空機業界では、部品の軽量化は燃費性能の向上、運用コストの削減、および環境負荷の低減に直結するため、非常に重要視されています。
特に、燃料消費量を削減することはCO2排出量の抑制にも繋がり、持続可能な航空技術の実現に貢献します。

また、軽量化により飛行性能を向上させ、搭載可能な貨物量を増やすこともできます。
これらの理由から、AMを活用した部品軽量化の設計戦略は、航空機製造において不可欠な要素となっています。

AMによる軽量化のメリット

AMによる軽量化には、以下のようなメリットがあります。

1. **複雑形状の実現**：従来の製造法では困難であった複雑な形状を実現可能。これにより、強度と剛性を維持しつつ軽量化ができる。

2. **材料の効率的使用**：必要な部分のみを構造として形成するため、材料の無駄を削減できる。

3. **一体化設計**：複数部品を一つのパーツに統合して軽量化することが可能。組立工数の削減と組立精度の向上にも寄与。

軽量化部品の設計戦略

積層造形技術を用いた軽量部品の設計では、以下の点を考慮することが重要です。

形状最適化

形状最適化は軽量化設計の基本であり、特に「トポロジー最適化」という技術が注目されています。
トポロジー最適化では、部品の荷重条件や境界条件を設定して、材料の配置を最適化しつつ軽量化を図ります。
これにより、剛性や強度を保ちながら材料使用量を削減できます。

材質の選択

積層造形で利用可能な材料は多岐にわたり、航空機部品では特にチタン合金やアルミニウム合金が人気です。
これらの材料は、軽量でありながら高い強度と耐久性を持つため、航空機部品の特性に適しています。
また、材料選択にあたっては、コストや加工性、耐腐食性などの特性も考慮する必要があります。

機能統合

AM技術を活用することで、従来は複数の部品が必要だった機能を一体化し、部品点数を削減できます。
例えば、通気構造や配線経路を一体で成形することにより、重量削減と同時に組立工程の効率化が可能です。

設計工程での注意点

AMを用いた設計工程では、設計段階での考慮事項がいくつか存在します。

積層造形の限界を理解する

AMにはまだ限界があり、大量生産には不向きな面もあります。
造形時間が長い、高精度の仕上げが必要な場合は後加工が必要など、設計段階で製造プロセスの特性を把握しておくことが重要です。

シミュレーションの活用

AM設計においては、シミュレーション技術の活用が有効です。
コンピュータを使って荷重解析や熱解析を行うことで、部品の性能や耐久性を確認することができます。
このような解析を設計段階で行うことで、不良率の低減や性能向上が図れます。

最新の業界動向

AM技術は日々進化しており、航空機業界においても新たな展開が予想されています。

新しい材料の開発

近年、AMに対応した新しい材料の開発が進んでいます。
高強度でかつ軽量な材料の研究開発が進められており、これらの登場はさらに大幅な軽量化に寄与すると考えられます。

標準規格の整備

AM技術は比較的新しい技術であるため、標準化された規格があると、製造プロセスの信頼性確保や産業全体での普及・発展に重要です。
規格の整備は進められており、将来的に業界標準として広く採用されていくと考えられています。

まとめ

航空機部品製造業の設計部門では、積層造形技術を活用した軽量化部品の設計が求められています。
形状最適化や材質選択、機能統合を意識した設計が軽量化を実現し、さらには燃費性能や環境対応に直結します。
AM技術の進化に伴い、今後も新たな材料の開発や規格の整備が進むと考えられるため、最新の業界動向に注目することが、設計者にとって重要なポイントと言えるでしょう。