新素材と最新アイデアが未来の航空機製造業界に与える影響
炭素繊維複合材やニッケルベース超合金などの先進材料、積層造形製造 (AM) の台頭、環境維持の持続可能性の重要性についての洞察を通じて、航空機製造の未来を探ります。新しい創造を推進する上で継続的な教育と研究開発が果たす重要な役割について学びます。今後数年間で、一連の新素材が航空機製造の様相を大きく変えることになるでしょう。しかし、これらは機械加工および切削工具にとって何を意味するのでしょうか、同時に変化のスピードに対応するために今どのような対策を講じる必要があるのでしょうか。
世界の航空機産業は、感染症パンデミックによる避けられない減速から力強く回復しました。航空機需要は毎年約4～5％増加しており、今後20年間も増加し続けると予想されています。英国 Seco の学術リーダーの Mark Walsh は、その需要を満たし、2050年までにネットゼロ排出目標を達成するためには、航空機メーカーとサプライヤーは新しい素材と幅広いコラボレーションや効果的な工程技術を検討する必要があると述べています。
「私は長年航空機製造に携わってきましたが、30年、40年先の技術進歩について常に考えるべきだと常に言っていました。しかし、実際に確かめることはできません。現在、材料にはさまざまな導入検討があり、航空機のエンジン部品に、これまでは考えられなかったような材料が導入され始めています。」
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)のような先進複合材料がその例である。複合材料 (炭素繊維強化プラスチック) などは、高い強度対重量比により航空機産業分野で急激に普及しており、Airbus A350 やBoeing 787 などの最新航空機構造の約 50% は 複合材料 CFRP (炭素繊維強化プラスチック) で製造されています。
「炭素繊維複合材は、特に超音速飛行の未来だと考えています」と、Seco のグローバルエンジニアリング教育を担当する David Morr は言います。「この技術革新は素晴らしいです。」唯一の欠点は、環境維持の持続可能性の観点で、リサイクルが非常に困難で、製品を廃棄する際には埋め立て地に捨てられる可能性があります。しかし、私たちはすでにリサイクル対策に投資しており、大規模にリサイクルするための費用対効果の高い方法を見つけることが優先事項となっています」と彼は言います。
これは、航空機産業分野における多くの新しい複合材料の問題点を浮き彫りにしています。それぞれに利点がある一方で、材料調達、コスト対策、加工方法、リサイクル対策のあらゆる側面で克服すべき課題が多く存在しています。
軽量化が航空機業界の主な焦点であるため、Al-7178-T6 や Al-7079-T6 などのアルミニウム合金は、強度特性が高く、軽量で、比較的安価であり機械加工においても高速加工処理が可能です。しかし、アルミニウム合金は他の多くの構造用金属よりも融点が低いため、高温環境の用途には適さない特性があり、またアルミニウム合金は比較的柔らかいため、それほど摩耗疲労に耐えられません。
高強度鋼合金は優れた強度特性と耐衝撃性を備えていますが、機械加工が難しい可能性があります。航空機製造用途ではあまり使用されていないステンレス鋼合金についても同様です。
Ti-6Al-4Vなどのチタン合金も、強度特性と重量比と耐食性において極めて有効ですが、世界的な地政学的課題により供給環境に深刻な影響を受けています。
環境維持の持続可能性は航空機業界の重要課題であり、航空機エンジンのタービン部分に主に使用されるニッケルベース超合金は、燃料効率とエンジン全体の性能を向上させる機能があり、環境維持の持続可能な航空燃料の推進最適化に不可欠です。
航空機産業における最新の複合材料の普及は、機械加工や工具へのアプローチも進化革新する必要があることを意味します。David Morr は、3Dプリント造形と積層造形製造 (AM) の業界導入が予想以上にスムーズに進んだことから、3Dプリント造形と積層造形製造 (AM) が果たす役割は今後ますます大きくなると確信している。
「私は以前、将来の材料を検討する共同チームの一員として、オーストラリア国防材料技術センター（DMTC）で勤務していました。当時は、3Dプリント造形について多くの議論がありましたが、私たちはそれが課題になるだろうと考えていました。結果的にこれらは、粉末冶金 (Powder Metallurgy) 材料なので、機械加工が少し容易になりました。「加工製品の材質の品質要求に対して、構造要素内の不均一性が解消され、安定一貫した加工プロセスが実現できました」と彼は振り返ります。「私たちが考えなければならない概念は、これらの材料がどのように機械加工されるか、どのような特徴を持つか、そしてそれらの目標を達成するためにどのような独創的な考え方が必要になるかということです。」
Mark Walsh は、航空機産業分野での積層造形製造技術は今後も成長を続けるだろうと予想していますが、航空機製造における繊細な精密部品に積層造形製造が採用される日はまだ遠いだろうと考えています。「私の予想では、おそらく10年から15年はかかるでしょう」と彼は言います。
David Morr が提唱する航空機工学におけるもう一つの可能性のある発展は、最終的には二層構造の製造プロセスとなることである。
「世界中の航空機産業の潜在的な成長進化により、将来の航空機の製造プロセスの概念全体が完全に変わる可能性があります」と彼は言います。「例えば、ファーストクラスや、できるだけ速く移動したい企業にとっては、超音速航空機に重点を置くことになるかもしれません。それと並行して、私たちは現在すでに持っているものを活用しながら、更に燃費効率に優れたエンジン性能、リサイクル可能な新素材、そして多くの3Dプリント造形技術を活用することになるかもしれません。」
産業界がどのように発展しても、航空機製造の将来を切り開くために必要なスキルを製造スタッフに身につけさせるには、継続的な教育とトレーニングが不可欠です。
「全体的にトレーニングの頻度と質を向上させる必要があり、それが結果的にスキルアップにも大きく影響するでしょう。私たち全員が互いに教え合う「相互教育」が必要になると思います。私たちは大学研究機関に投資し、「この中に未来の技術を見出します。私たちはあなたの研究開発に関わりたいし、研究開発段階でのスポンサーになることも考慮します」と言う必要があります。「それによって、最先端で何が起こっているのかを理解推測するのです」と Morr は語ります。
Morr によると、産業界におけるAIの影響力が増すにつれ、機械オペレータの役割も変化する可能性があり、機械エンジニアとロボットエンジニアが次世代の先端オペレータになる未来も予測しています。これにより、長期的には全体的な生産コストが削減されると彼は主張しています。
Mark Walsh によると、今日でもビジネスの大きな原動力となっている財務上の利益は、将来の航空機製造産業において、3 つの重要な注目指向のうちの 1 つになっていくだろうと考えています。
「あなたの行うことが、経済的影響、環境への影響、そして社会的影響を持っています。これは製造業においては比較的新しい考え方ですが、生産プロセスや被削材料を設定する際の基礎となると考えられます。新しい被削材料の循環型製造設計を考慮することが標準となり、可能な限り多くの材料を回収、再利用、リサイクルして、生産プロセス中の廃棄物を削減するようになります。」
需要は好調であり、航空業界は将来に楽観的な見通しを持っています。そして、材料や研究開発から投資や教育に至るまで、OEM や航空機製造業界は、サプライチェーンが依然として課題であるとしても、その信頼を反映する適切な構成要素が整っているという認識のもと、確信を持って前進することができます。
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