航空宇宙産業における被削材および機械加工の動向
航空宇宙産業は、性能と安全性を維持しながら燃料消費量を削減することで地球環境の持続可能性を追求しており、材料科学と機械加工の重要性が高まっています。先端材料の専門家であるマーティン・ジャクソン教授が、現在の動向について解説します。
地球環境の持続可能性と先端素材は航空宇宙産業に大きな影響を与えています
こうした動向について内部的な視点を持つ人物は、シェフィールド大学の先端材料加工の教授であり、チタン合金の世界的に著名な専門家であるマーティン・ジャクソンです。彼は航空宇宙産業で25年以上働いてきましたが、業界がネットゼロエミッション（温室効果ガス排出の実質ゼロ目標）の製造目標に向けて取り組んでいるとき、次のように述べています。「材料科学者になるにはこれ以上の機会はありません。」
ここでは、ジャクソン教授が航空宇宙産業における現在の動向のいくつかを説明します。
航空業界は2050年までに炭素排出量を実質ゼロにすることを目標としていますが、電動機や水素を燃料とする航空機はまだ先の話です。航空宇宙産業は、より低燃費の航空機を製造する方法を見つける必要があります。つまり、軽量でありながら強度の高い材料を製造することが課題となります。
「私たちは、チタン、ニッケルベースの超合金、高強度鋼などのハイエンド合金を使用して、航空機エンジンの燃焼温度を高め、より効率的にすることを検討しています」とジャクソン教授は説明します。
「飛行中に航空機エンジンに求めるものはこれだけですが、それを製造して処理することもできなければなりません。これらの材料は高価で機械加工が困難です。機械加工は、おそらく航空機エンジンを製造する際に最も重要で高価なプロセスです」
航空宇宙産業は、より機械加工が可能な合金を製造しています。これらは強度はそれほど高くありませんが、機械加工性が向上しており、必要な工具が少なくなり、完成品形状までの金属除去率が向上します。
「セコ・ツールズの強みはここにあります」とジャクソン教授は言います。「セコ・ツールズは、これらの問題を克服するための優れた工具とコーティングを開発し、これらのコンポーネントをほぼ完成品形状に加工しています」
高圧タービンディスクは、粉末素材から製造されています（3Dプリンティング）これは、化学の長年の問題に対する、巧妙な新しいアプローチです。
「ガスタービンエンジンのディスク部品に含まれるニッケルベースの超合金は、化学物質が中心から端まで非常に変化するため、溶融が非常に困難です」とジャクソン教授は説明します。「鍛造によって均質化しようとするのは難しいです」
「粉末素材を使用することで、製造企業はより均質な化学物質を得ることができ、ホットアイソスタティックプレス （熱間静水圧プレス）によって粉末素材をセンタリングすることができます」
しかし、チタン合金を溶融して鍛造するにはコストがかかるため、チタン合金がすぐに粉末素材になることはないだろうと、ジャクソン教授は述べています。
「チタン合金の粉末素材は、製造過程の最終段階で問題を引き起こす浮遊粒子に対する懸念があるため、良くありません」
地球環境の持続可能な航空機を目指して努力する中で、航空宇宙産業は地球環境の持続可能な製造を忘れてはなりません。
「また、製造プロセスと製造企業をより地球環境の持続可能なものにする必要があります。工具の数を減らし、エネルギー消費を減らし、切削液の使用量を減らして、より迅速な加工を行う必要があります」
航空機エンジン製造における素材片の鍛造は、航空機に使用される材料のわずか10%で、最大90%は切削加工されます。航空機業界は伝統的に回収企業に切り屑を渡してきましたが、現在ではより効果的にリサイクルするように求められています。安全性と性能の基準により、航空機エンジンの再構成はできませんが、自動車などの他の産業で使用するのに十分な強靭性を備えています。
「現在、特に英国では、より良いリサイクルを目指して本格的な取り組みが行われています。航空業界はその道のりの途中であり、製造企業のリサイクルを支援する必要があります」とジャクソン教授は述べています。
マーティン・ジャクソン教授のチームの重要な研究分野のひとつは、機械加工が航空機部品の構造的完全性に与える影響です。課題は、製造企業のコストマージンを満たすために迅速かつ効果的な機械加工を調整し、これらの安全性に重要な機能のコンポーネント寿命を確保することにあります。
「工具を提供したり、立ち去ったりするだけでなく、工程全体の一部になるというバランスがあります。セコ・ツールズはこれに非常に優れています」とジャクソン教授は言います。
「私はセコ・ツールズのラシッド・ムサウビと彼のチームとよく仕事をしていますが、テクノロジーを使用して、素材の「デジタル情報」と「デジタルパスポート」を提供するアイデアを検討しています。セコ・ツールズでは、微細構造や表面の損傷、使用中のそのコンポーネントの寿命など、工具のコンポーネントへの影響を理解したいと考えています。
「これは、工具を商品として提供するだけでなく、工具ソリューションを提供することです。部品をどのように加工する必要がありますか？私たちは、工具寿命への影響だけでなく、さまざまな金属除去率、送り速度、機械加工時間を調べています。
「工具のインサートは、10分ではなく15分しか使用できませんが、コンポーネントにはどの程度が残されているか、より効果的にアクセスするにはどうすればよいですか？航空機エンジンに搭載された部品の構造的完全性を理解したいと考えています」
セコ・ツールズは、製造企業や材料供給企業と緊密に連携し、コスト効率の高い方法で材料を除去することができる工具を提供していますが、損傷を与えることはありません。
「航空宇宙産業の製造企業各社は、フライス工具だけで年間1億ポンド(約1億1,200万ユーロ)を費やしています。セコ・ツールズの工具を使用する時間をわずかに短縮することで、わずか数分であっても、1年間で大きな影響を与える可能性があります。」
マーティン・ジャクソン教授は、過去5年間で、業界内でより多くのコラボレーションアプローチが見られたと述べています。
「工具製造企業、工具販売企業、材料製造企業、製造加工企業が協力しなければならないということは、初期の技術的準備レベルで認識されていました。
「優れたコンソーシアム構築があり、自我はなく、それによって研究が加速しています。たとえば、シェフィールド大学の私たちのチームは、セコ・ツールズ、ロールス・ロイス、英国の航空エンジン用チタニウムの生産者であるTIMETとさまざまなプロジェクトに取り組んできました。
「さまざまな利害関係企業には、さまざまな要求があります。 また、セコ・ツールズと協力して工具が部品に損傷を与えないようにする向上的エンジニアと、できるだけ多くの高圧ディスクを生産出荷できることを要求されている製造エンジニアとの間には、常に健全な緊張があります。しかし、それができれば、研究開発を本当に加速させることができます。」
ガスタービン航空機エンジンでは数年前から認識されていますが、セコ・ツールズが業界をより地球環境の持続可能で費用対効果の高い方向へと導き続けることができると、マーティン・ジャクソン教授は考えています。
「セコ・ツールズは、構造的完全性に対する工具の影響を理解するという点でリーンエッジ（最先端）であると思います。さらに、次の工程を認識して、例えば積層造形のように意識していると思います」「セコ・ツールズは他の工具供給企業と比較して業界を先取りしています。なぜなら、セコ・ツールズは将来のことを認識しているように見えるからです。私たちと共に行っているプロジェクトの中には、これらの新しいプロセスを見て、工具の要求が何であるかを理解しているものもあります。」
「そして、セコ・ツールズは、次世代の航空機エンジンパワートレーンとなるものについて、新たなプロセスについて議論し、検討する際には、常に会話の一部になっています」
