アディティブマニュファクチャリングは、超音速旅客機部品の製造に貢献します

XB-1は、アメリカの航空スタートアップBoomによって開発された超音速旅客機のプロトタイプであり、2020年10月に発売され、超音速旅行の夢を一般の人々に一歩近づけました。 XB-1は2021年に飛行試験を開始する予定です。これはOverture超音速旅客機の3分の1に従って製造されたプロトタイプです。Overture旅客機は当初2025年に発表される予定でした。

プロジェクトの初期段階で、ブームの超音速旅客機の設計および開発チームは、積層造形（AM）技術に注目し始め、積層造形の特性を組み合わせて、最も複雑な部品の設計を完成させました。



  ブームのR＆Dエンジニアであるバイロンヤングは、次のように述べています。「アディティブマニュファクチャリングを選択する理由はたくさんあります。航空機設計の最も厄介な部分は、コンポーネント間のインターフェイスデザインです。アディティブマニュファクチャリングのアイデアを使用して設計すると、部品とインターフェースにより、開発期間が大幅に短縮されます。さらに、部品の組み合わせにより、航空機の重量を減らすこともできます。」
プロジェクトの初期段階で、ブームの超音速旅客機の設計および開発チームは、積層造形（AM）技術に注目し始め、積層造形の特性を組み合わせて、最も複雑な部品の設計を完成させました。



  ブームのR＆Dエンジニアであるバイロンヤングは、次のように述べています。「アディティブマニュファクチャリングを選択する理由はたくさんあります。航空機設計の最も厄介な部分は、コンポーネント間のインターフェイスデザインです。アディティブマニュファクチャリングのアイデアを使用して設計すると、部品とインターフェースにより、開発期間が大幅に短縮されます。さらに、部品の組み合わせにより、航空機の重量を減らすこともできます。」
ブームの超音速旅客機の研究開発チームは、2019年にVELO3Dとの実験的協力を開始しました。新世代のレーザー粉末床融合（LPBF）技術に夢中になりました。この技術の適用シナリオは、次のとおりです。
◆可変バイパスバルブ（VBV）システムのチタン合金マニホールドの3D印刷に使用されます。これにより、航空機エンジンのコンプレッサーから放出された空気を外部モジュールライン（OML）に導くことができます。
◆コックピットおよびシステムコンパートメントの冷凍に使用される環境制御システム（ECS）の排気シャッターの3D印刷に使用されます。
◆中央の吸気口からOMLへの二次気流をガイドするために使用されるブラインドの3D印刷。
◆NACAパイプと2つのスプリッターフランジ部品の3Dプリント。 NACAダクトは通常、高速航空機で外気を捕捉して誘導し、エンジンコンパートメントを冷却するために使用されます。
上記のすべての部品は、VELO3Dのサファイア製造システムで3Dプリントされています。さらに、SapphireシステムはBoomのCADデータを直接キャプチャして印刷を完了します。これにより、デザイン表現の正確さと完全性が保証されます。



 「サファイアシステムのフロープレプリントソフトウェアを使用して、NACAパイプの薄肉領域を変更し、補強材構造を追加しました。しかし、ほとんどの場合、パーツはそのまま印刷されます。 。元のデザインを変更する必要はありません。」
バイロン氏は、非常に薄い壁の部品に対するサファイアシステムの製造能力に非常に感銘を受けました。「サファイアシステムは、わずか750μmの厚さの非常に薄い壁の構造を印刷できます。ほとんどの場合、部品は追加なしで完成できます。機械加工プロセス。製造。」



サファイアシステムの非接触コーティング装置は、各粉末金属層の厚さを分散させ、それをデュアルレーザーと融合させることができます。これはシステムのもう1つの利点です。軽量化のため、中央入口の排気ルーバーのブレード間に中空設計を施し、部品のアスペクト比スパンを非常に大きくするため、サファイア系でしか製造できません。



ジーン氏は次のように述べています。「当社の3D印刷技術は、アスペクト比スパンが大きいこのような部品の製造に非常に適しています。冗長な補強構造を必要とせず、非接触コーティング機が製造プロセスに干渉することはありません。」

チタン合金
このプロジェクトが直面している大きな課題の1つは、ブームが3Dプリントの金属材料としてチタン合金を選択したことです。
DMPの積層造形エンジニアであるAaronMiller氏は、次のように述べています。「チタン合金の利点の1つは、適用温度が非常に高いことです。アルミニウムや炭素繊維と比較して、高温での強度損失が少なく、強度が高くなります。重量比。」



チタン合金は比重が軽く、耐熱性に優れていますが、製造工程での冷却が速すぎると壊れやすく割れやすくなります。つまり、適切な製造方法が見つからないと、チタン合金のメリットを活かすことができません。



ジーン氏は、チタン合金部品は通常鋳造によって製造されるため、冷却速度が遅くなり、部品の割れを効果的に防ぐことができると指摘しました。ただし、航空機の部品の中には、鋳造がほとんど不可能な非常に薄い壁の構造を使用しているものがあります。



ジーン氏は、「これは、これらの部品を製造するために3D印刷を使用する理由の1つでもあります。このような薄肉チタン合金部品を従来の鋳造方法で製造すると、亀裂除去率が非常に高くなります。」



ジーンは、ブームとのコラボレーションから多くのことを学んだと信じています。 「ブームは、部品設計の新しいアイデアを開くのに役立ちました。薄肉部品の製造はもはやボトルネックではなく、軽量化の目標を新しい高さに押し上げています。私たちは、チタン合金部品。たとえば、薄肉構造の方向は何ですか、サポート構造を追加する必要があるのはいつですか、追加する必要があるのはいつですか。」

プロセス制御は不可欠です
チタン合金部品をより堅牢で耐久性のあるものにするために、VELO3Dは3D印刷のプロセスパラメータとプロセスを最適化しました。
「金属粉末はZ方向に堆積し、基板の内部応力を低減します。さらに、冷却プロセス中に形成される内部応力を低減することで、亀裂も効果的に低減できます」とGene氏は説明します。



品質管理は積層造形プロセス全体に拡張されました。フロープレプリントシミュレーションから開始して、サファイアシステムが印刷コマンドを実行し、アシュアシステムが品質を検証します。マウスを1回クリックするだけで、レーザーアライメントの自動検査、ビームの安定性と粉末床の品質の自動検査など、機器のキャリブレーションとデバッグを完了することができます。製造プロセス全体を通じて、主要なパラメータが自動的に記録され、異常がマークされます。最後に、すべてのプロセスデータが要約され、将来の参照用のレポートが作成されます。



ブーム旅客機のチタン合金部品が3D印刷された後、チェーンソーまたはワイヤーカッターで基板から切り取られます。 DMPの仕組みは、3Dプリントの後処理プロセスがシンプルで簡単であると信じています。



 「3Dプリントされた部品を基板から切り取った後、少量のサポートを取り除くだけで済み、後処理の作業負荷は非常に小さくなります」とアーロン氏は述べています。手の届く場所に、取り外す必要のある余分なサポート構造はありません。これらのサポートが不要なSupportFreeテクノロジーのおかげで、サファイアシステムから取り外されるワークピースはほぼ完成品であり、ドライバーまたは砥石だけがあります。バリに対処するために必要です。はい。より大きな寸法と取り付け要件のある部品の場合、位置決め穴を削り出し、それらの位置とサイズが正しいことを確認する必要があります。つまり、異なる部品の後処理手順はわずかに異なります。 、しかし一般的な処理時間は30分を超えません。難しいことは何もありません。」



胴体部品の形状の特殊性のため、機械加工中に部品を固定するために使用されるジグを設計することは困難です。アーロン氏は次のように述べています。「航空機には、通常の平らな構造または円形の構造で完全に構成されている部品がほとんどないため、クランプが非常に困難です。ただし、部品のCADモデルに基づいて3D印刷方法を迅速に設計しました。カスタマイズされたプラスチック器具は別のFDM（熱溶解積層法、プロセス熱溶解積層法）3Dプリンターで製造されます。これらの器具の湾曲した構造は航空機部品と互換性があり、部品に簡単に固定できます。



3Dプリント部品の表面粗さはプロファイラーで測定され、平均値は約250Raです。
 「顧客が表面粗さを125Raに制御する必要がある場合、蒸気処理は数分しかかかりません」とアーロン氏は述べています。
完成部品の熱処理および/または熱間静水圧プレス（HIP）処理により、疲労寿命を延ばすことができます。ジーン氏は、「超音速旅客機は通常の旅客機とは異なります。環境への影響と空気流の圧力ははるかに大きい」と指摘しました。



「超音速機が負担する主な荷重は、通常、高速による圧力荷重ではありません。多くの場合、航空機の構造全体の曲げや変形によって生じる各部品の変形応力です。 。たとえば、設置と接続一緒になっている2つの部品の熱膨張係数が異なり、熱変形も異なるため、2つの部品間に変形応力が発生します。3D印刷部品は非常に薄く設計でき、軽量で、このストレスを軽減できます。」



ブームのXB-1超音速旅客機では、21のハードウェアコンポーネントがVELO3Dのサファイア3D印刷システムで製造されています。これらの部品の構造的特徴には、従来の溶接や鋳造、または昔ながらの3D印刷技術では製造できない、非常に薄い壁、大きなアスペクト比などがあります。

試して、学び、繰り返してください
XB-1超音速旅客機プロトタイプの積層造形プロジェクトを通じて、ブームとVELO3Dの両方がこれから多くのことを学びました。ブームのR＆Dチームは、積層造形の可能性が想像を超えており、設計意図を完全に回復できることを発見しました。このプロジェクトを通じて、DMPは3D印刷の専門知識も大幅に拡大し、3番目のサファイアシステムを購入することを決定しました。 「アディティブマニュファクチャリングの能力が向上するにつれて、新しいビジネスも増加しました。」とアーロン氏は述べています。