フェリックス・リー著
CEO Forgecise
フェリックス・リーは、先進的な製造技術と産業工学ソリューションを専門としています。彼の研究は、積層造形が軽量構造、生産効率、そして次世代航空宇宙用途をどのように支援できるかを探求するものです。
最終更新日: 2026年8月18日
積層造形による格子構造は、UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）のメーカーが、強度、熱制御、電子保護といった機能を一つの設計に維持しながら、構造重量を削減するのに役立ちます。不要な固体材料を設計されたセル構造に置き換えることで、航空宇宙企業はより軽量な部品を製造し、飛行時間の延長、積載量の増加、そして電動航空機の性能向上を実現できます。
Table of Contents
要約
- 積層造形による格子構造は、従来の設計と比較して、航空宇宙部品の重量を約33％～50％削減できる。
- FCC構造、ケルビン卿構造、ジャイロイド構造、シュワルツ・ダイヤモンド構造、I-WP構造を用いることで、エンジニアは強度、剛性、冷却性能、EMI保護性能を制御することができる。
- 主な用途としては、電動モーターのハウジング、プロペラハブ、ロータージョイント、UAV（無人航空機）のフレームノードなどが挙げられる。
- LPBF、SLS、FFFなどの積層造形法を用いることで、金属、ポリマー、複合材料を用いた製造が可能となる。
- 将来の航空宇宙生産は、より高度なシミュレーション、AIを活用した設計、検査システム、およびプロセス制御に依存することになるだろう。
電動航空機には、たった一つの単純な問題がある。それは、1キログラムの重量制限が重要だということだ。
従来の航空機とは異なり、UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）は電力システムに大きく依存している。バッテリーのエネルギー密度には限界があるため、機体重量を軽減することで、航続距離、積載量、ホバリング安定性、および運用範囲が直接的に向上する。
だからこそ、航空宇宙エンジニアは従来の製造方法の枠を超えて考えているのだ。
問題はもはや単に次のことだけではない。
「この部分をもう少し軽くできますか？」
より適切な質問は次のとおりです。
「一つの部品で、荷重を支え、熱を放散し、電子機器を保護し、組み立て工程を削減するという機能を同時に実現できるだろうか？」
積層造形における格子構造は、この考え方に基づいて設計されている。
積層造形における格子構造とは何ですか？
積層造形による格子構造は、3Dプリンティングプロセスによって作成される、設計された内部フレームワークです。完全に固体の部品を製造するのではなく、エンジニアは荷重を支えるために必要な場所にのみ材料を配置します。
これらの構造は、格子トポロジーと呼ばれる数学的なパターンを利用している。
最終構成要素には以下が含まれる可能性があります。
- 軽量化
- 高剛性
- 振動制御の改善
- 内部冷却経路
- 電磁シールド機能
従来の航空宇宙製造では、多くの場合、金属の塊や炭素繊維積層体からのCNC加工に依存している。
これらの方法は信頼できるが、限界もある。
機械加工部品は大量の材料を除去する。複合構造は多くの場合、複数の層、金型、および手作業による組み立てを必要とする。
関節は別の問題を引き起こす。
ブラケット、ボルト、接続点はすべて重量を増加させ、応力集中箇所を生み出す可能性がある。
積層造形は設計手法を変える。
エンジニアは、複数の部品を組み合わせて、内部に格子状の補強材を備えた単一のプリント構造物を作成することができる。
これにより、以下が軽減されます。
- ファスナーの重量
- 組み立て時間
- 製造の複雑さ
- メンテナンスの難しさ
UAVおよびeVTOLメーカーにとって、これは構造部品の重量を約 従来設計の3分の1から2分の1。
UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）に軽量格子構造が必要な理由とは？
無人航空機（UAV）および電動垂直離着陸機（eVTOL）は、厳格な重量制限の下で運用される。
より重い航空機には以下が必要です。
- バッテリー電力の増加
- 大型モーター
- より強固な支持構造
これは、余分な体重がさらに体重を増やすという悪循環を生み出す。
添加格子構造は、強度対重量比を向上させることで、この悪循環を断ち切る。
格子構造の性能は、以下の要素に依存します。
- トポロジー設計
- 相対密度
- 材料の選択
- 製造工程
- 印刷方向
相対密度とは、同じ物質の完全な固体状態と比較して、どれだけの物質が存在するかを示す指標である。
相対密度が低いということは使用する材料が少なくて済むということだが、構造物は依然として運用荷重を支えなければならない。
このバランスこそが、航空宇宙用格子構造設計の基礎となる。
航空宇宙製造ではどのような格子構造が使用されていますか？
エンジニアは主に3種類の格子構造を使用します。
- 支柱ベースの格子構造
- 板状格子
- 三重周期最小曲面（TPMS）構造
それぞれの設計は、機械的負荷を受けた際に異なる挙動を示す。
FCC格子は航空宇宙構造をどのように改善するのか？
面心立方格子（FCC）は、連結された対角線状の支柱を用いて、力を複数の方向に分散させる。
UAVのフレームが以下の状況に遭遇した場合：
- 曲げ荷重
- ねじり力
- 振動
FCC構造は、これらの力を複数の荷重経路に分散させる。
これにより、局所的なストレス集中が軽減される。
FCC格子は一般的に以下の用途に使用されます。
- 無人航空機用武器
- 構造接合部
- 軽量フレームセクション
一般的な製造方法には以下のようなものがあります。
- レーザー粉末床溶融法（LPBF）
- 溶融積層造形法（FFF）
一般的な材料には以下が含まれます。
- AlSi10Mg
- Ti-6Al-4V
- 炭素繊維強化PA12
典型的な相対密度：
8%～15%
最適化されたマルチローター設計では、固体体積率が低いFCC格子は 8.75% 固体ポリマー梁に匹敵する剛性を実現しながら、機体全体の質量を削減した。
航空機の構造設計にケルビン格子が用いられるのはなぜですか？
ケルビン卿の切頂八面体格子は、曲げ抵抗とエネルギー吸収を目的として設計されている。
構造物が以下のものに耐える必要がある場合に役立ちます。
- 空力的な突風荷重
- 振動
- 繰り返しの曲げ力
用途例：
- 翼構造
- ローターサポート
- 耐衝撃性部品
製造方法には以下が含まれます。
- SLS
- LPBF
材料：
- ナイロン12
- スカルマロイ
- Al2139
典型的な相対密度：
10%～25%
この形状は、構造物の軽量性を維持しながら、変形を軽減するのに役立ちます。
電動航空機にとってTPMS格子構造が重要な理由とは？
三重周期最小曲面（TPMS）構造は、従来の支柱格子とは異なる。
それらは、滑らかで連続的な曲線を持つ数学的な曲面から作られる。
例としては以下のようなものがあります。
- ジャイロイド
- シュワルツ・ダイヤモンド
- I-Wrappedパッケージ（I-WP）
TPMS構造は鋭角な交差部に依存しないため、応力集中を低減し、疲労挙動を改善することができる。
彼らの内部チャネルは、新たな可能性も生み出す。
同じ構造でも以下のことが可能です。
- 機械的な負荷を支える
- 冷却液を移動させる
- 熱伝達を改善する
- 電磁波を吸収する
このため、TPMSは電動航空機にとって特に魅力的なシステムとなる。
TPMSの主な格子タイプは何ですか？
ジャイロイド構造
ジャイロイド格子は連続した内部チャネルを形成する。
一般的な製造方法：
- LPBF
- バット光重合
材料：
- Ti-6Al-4V
- 導電性PLA
- 先進樹脂
相対密度：
12%～35%
主なメリット：
- 滑らかな応力分布
- 流体圧力損失を低減
- 疲労耐性
- 統合冷却機能
I-WP構造
I型パッケージの格子構造は、優れたせん断性能と良好な印刷適性を備えています。
典型的なプロセス：
- FDM
- LPBF
材料：
- カーボンブラックPLA
- AlSi10Mg
相対密度：
10%～30%
主なメリット：
- 自立型形状
- せん断強度
- EMI吸収能力
積層造形による格子構造は、UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）のどの分野で使用されていますか？
付加格子構造の最大のメリットは、エンジニアが複数の問題を同時に解決する必要がある場面で発揮される。
これらの部位は通常、次のような状態になります。
- 高い機械的負荷
- 振動
- 発熱
- 設置スペースが限られている
- 厳格な体重目標
最も重要な3つの応用分野は以下のとおりです。
- 電動モーターハウジング
- プロペラハブとローター部品
- UAVおよびeVTOLの構造フレームノード
積層造形モーターハウジングは、電動航空機の性能をどのように向上させるのか？
UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）の電気モーターは、以下の際に大量の熱を発生させます。
- 脱ぐ
- ホバリング
- クライミング
- 高出力動作
高温は巻線の絶縁体を損傷させ、永久磁石の減磁を引き起こす可能性がある。
従来のモーターハウジングは、保護と剛性を確保するために、厚いアルミニウム製の壁に依存することが多い。
しかし、厚い壁は不必要な質量を増やすことになる。
積層造形技術により、エンジニアはハウジングを以下のように再設計することが可能になります。
- 薄い外部構造スキン
- 内部金属格子コア
- 一体型冷却チャネル
- 形状に沿った熱伝達経路
例えば、LPBF製造では、以下のようなアルミニウム合金構造物を製造することができる。 EOS Al2139。
報告書に記載されている材料特性は以下のとおりです。
- 引張強度最大 500 MPa
- 熱安定性 200℃
筐体内部では、エンジニアは以下のものを印刷できます。
- らせん状の冷却通路
- 格子状のヒートシンク
- 内部熱経路
その結果、モーターを保護する以上の役割を果たす構造が実現した。
また、熱を取り除く効果もある。
導電性格子コアを使用することで、熱伝達のための表面積が増加し、ハウジングの質量が削減されます。 40%以上 従来のデザインと比較して。
格子構造はプロペラハブとローターシステムをどのように改善するのか？
プロペラハブとローターブレードの接続部は、過酷な条件下で動作する。
彼らは次のようなことを経験します。
- 遠心力
- ジャイロスコープ荷重
- 繰り返し振動
- 空気力学的サイクリング
従来の堅牢なハブは、あらゆる箇所で十分な強度を備えている必要がある。
格子状のハブは、荷重が必要な場所にのみ材料を配置する。
これにより、エンジニアは以下の調整が可能になります。
- 剛性
- 振動挙動
- 回転慣性
重要な要素の 1 つは極慣性モーメント (J)
回転慣性が低いと、以下のことが可能になります。
- より速い運動反応
- スロットル変更時の電流需要を低減
- 飛行制御性能の向上
これは、次のような高度な設計において特に役立ちます。 環状プロペラ。
トロイダルプロペラは、ブレードの先端が中央のハブに接続される閉ループ状のブレード設計を採用している。
積層造形ハブの材料：
- LPBF AlSi10Mg
- SLSナイロン12
不要な質量を削減するために、内部に格子状の空隙を設けることができる。
エンジニアは、格子状の空間内に粘弾性減衰材を配置することもできる。
これにより、振動の伝達を以下の方向に低減できます。
- モーターベアリング
- 航空機フレーム
- 航空電子機器システム
積層構造はUAVフレームノードをどのように改善するのか？
構造的な接合部は、航空機設計において最も難しい部分の一つである。
従来のマルチローターフレームは、多くの場合、以下のものを使用します。
- カーボンファイバーチューブ
- CNC加工アルミニウムコネクタ
- 機械式クランプ
- 留め具
問題は、すべての接続が以下を生み出すことです。
- 追加重量
- ストレス集中
- アセンブリの複雑さ
積層造形技術を用いることで、エンジニアは連続構造物を作り出すことができる。
胴体中央部の接合部は、中空格子構造で補強されたブームアームに直接接続することができる。
このアプローチは、以下のような構成を含む高度なマルチローターシステムに役立ちます。
- PTX6
- PTX8
これらの航空機は複雑な角度の接続部を必要とするが、従来の方法では加工コストが高くなる。
印刷された構造体には、以下のような内部チャネルを含めることもできます。
- 高電圧ESCケーブル
- 電源配線
- 冷却経路
その構造物は、航空機の電気系統および熱系統の一部となる。
積層構造はEMIシールドと熱管理を実現できるか？
はい。
航空宇宙用格子構造の最大の利点の1つは、1つの部品内に複数の機能を組み合わせることができる点である。
単一の印刷構造は、以下の役割を果たすことができる。
- 荷重を支える部品
- 冷却システム
- EMI保護層
これにより、別個の部品の必要性が軽減される。
格子構造はどのようにして航空機の電子機器を電磁干渉から保護するのか？
電動航空機は強力な電子システムに依存している。
高周波スイッチング：
- モーターコントローラー
- ESCシステム
- パワーエレクトロニクス
電磁干渉を引き起こす可能性がある。
この干渉は以下に影響を与える可能性があります。
- フライトコンピューター
- ナビゲーションシステム
- 通信機器
従来のEMI保護では、多くの場合、以下の方法が用いられます。
- 金属製シールドボックス
- 銅テープ
- 追加の導電層
これらの解決策は効果があるものの、重量が増加する。
付加格子は別のアプローチを提供する。
金属格子や導電性高分子構造は電磁エネルギーを吸収することができる。
材料には以下が含まれます。
- カーボンブラック強化ポリマー
- カーボンナノチューブ材料
- 導電性PLA
- 金属格子構造
内部構造により、電磁波の反射が繰り返し発生する。
この過程で、電磁エネルギーは熱に変換される。
この報告書では、以下の密度勾配を持つI-WP TPMS格子について説明しています。
10%～30%
電磁波吸収の達成基準：
3.53GHz～24.00GHzの周波数帯で90%
これには以下が含まれます。
- Cバンド
- Xバンド
- Kuバンド
これらの構造は、以下のようなものに統合できる可能性があります。
- 航空電子機器筐体
- モーターカバー
- 翼構造
別途遮蔽部品を追加することなく。
添加剤格子構造は、航空機の熱管理をどのように改善するのか？
電動航空機は、モーターや電源システムの周囲のスペースが限られている。
従来のヒートシンクは平面状であることが多く、曲面状の航空宇宙構造物への組み込みが難しい。
金属積層造形により、エンジニアは以下のようなものを作り出すことができます。
- 湾曲した冷却チャネル
- 内部格子型熱交換器
- コンフォーマル冷却システム
液体冷却システムは、モーターハウジング内部のTPMS構造を通して冷却液を循環させることができます。
内部表面積が大きいため、熱伝導が向上します。
空冷式システムでは、プロペラの気流内部に配置された開放型導電性格子構造を使用することができる。
これにより、大型の外部ヒートシンクなしで強制空冷が可能になります。
航空宇宙製品の製造における主な技術的課題は何ですか？
積層格子構造は実験室レベルでは優れた結果を示すが、航空宇宙分野での生産には厳格なエンジニアリング管理が必要となる。
印刷された試作品は、必ずしも飛行可能な部品となるわけではない。
業界は5つの大きな課題に直面している。
課題1：エンジニアはどのようにして疲労寿命を向上させるのか？
金属積層造形における主要な課題の一つは、表面品質である。
LPBF製造工程において、部分的に溶融した粉末粒子が薄い格子状の支柱に付着したままになることがある。
これらの小さな表面欠陥は、微細な亀裂のように振る舞う。
繰り返し振動を受けると、それらは疲労破壊点となる可能性がある。
エンジニアは、以下の方法でこの問題に対処します。
- より滑らかな格子形状
- より大きなフィレの移行
- 最適化されたストラットノード接続
- 表面仕上げ
- ホットアイソスタティックプレス（HIP）
ソフトウェアプラットフォームなど nTop デザイナーがより滑らかな暗黙的な格子構造を作成できるようにする。
印刷後、以下のような処理が行われます。
- 化学研磨
- 電解研磨
表面の欠陥を除去できます。
HIP治療は、内部の毛穴を引き締め、疲労耐性を向上させるのに役立ちます。
しかし、航空宇宙チームは、実際の製造方向で印刷された部品から疲労データを作成する必要がある。
標準的な固体金属のデータだけでは不十分です。
課題2：製造業者はどのようにして閉じ込められた粉末や樹脂を除去するのか？
内部格子構造は、別の製造上の問題を引き起こす可能性がある。
格子が固体の外壁で囲まれている場合、未使用の粉末や樹脂が閉じ込められる可能性がある。
これにより以下が生成されます。
- 余分な不要な質量
- 清掃の難易度
- 内部で物質が移動した場合、飛散の危険性がある
解決策は設計段階から始まる。
エンジニアは以下を含める必要があります。
- 粉末排出経路
- 排水口
- 連続内部チャネル
TPMSの設計例：
- ジャイロイド
- シュワルツ・ダイヤモンド
それらは連結された経路を作り出すため、有用である。
報告書では、以下の点について内部承認を推奨している。
1.2 mm～1.5 mm
効果的な材料除去のために。
後処理には以下が含まれます。
- 多軸振動システム
- 超音波洗浄
最終熱処理前。
課題3：シミュレーション結果が実際のテスト結果と異なるのはなぜか？
従来の多くの工学シミュレーションでは、材料はあらゆる方向で同じように振る舞うと仮定されている。
積層造形材料は、多くの場合そうではない。
層状印刷では、以下の要素に応じて異なる特性が生まれます。
- 建設方向
- 熱履歴
- 層結合
これにより、材料の異方性が生じる。
Z方向の強さは、水平方向の強さとは異なる場合がある。
より良いシミュレーションには以下が必要です。
- 直交異方性材料モデル
- ビルド方向データ
- 印刷されたテストクーポン
高度なワークフローでは、印刷パスをシミュレーションソフトウェアと連携させ、異なる格子領域に異なる剛性値を割り当てることができます。
身体検査では以下の点を確認する必要があります。
- 抗張力
- 圧縮強度
- せん断強度
実際の製造工程において。
この報告書では、以下のような複合型試験方法を参照しています。 ASTM D3039 材料検証のため。
課題4：電動航空機は冷却と密閉性をどのように両立させるか？
電気推進システムには、互いに矛盾する2つの要素が必要である。
彼らは冷静さを保つ必要がある。
彼らはまた、以下のものからも保護される必要がある。
- 水分
- ほこり
- 環境曝露
完全に密閉された筐体は保護性能を向上させるが、熱を閉じ込めてしまう。
液体冷却システムを追加すれば熱問題は解決できるが、以下の問題が発生する。
- パンプス
- ラジエーター
- 流体ライン
これは、積層造形によって得られる軽量化効果を低下させる可能性がある。
ハイブリッドソリューションでは、次のような材料が使用されます。
- スカルマロイ
- Al2139
このデザインは以下を組み合わせたものです。
- 頑丈な外部シーリング面
- 内部格子状熱伝達構造
- 外部冷却フィン
プロペラの気流は、重厚なアクティブシステムを必要とせずに、追加の冷却効果をもたらすことができる。
課題5：ポリマー製航空機構造は、EMI問題をどのように軽減できるか？
ポリマー構造の例：
- PA12
- カーボンファイバーPETG
航空機の重量を軽減できる。
しかし、ポリマーはアルミニウムに比べて自然な電磁波遮蔽効果が低い。
外部遮蔽層を追加すると、以下の効果が得られます。
- 重さ
- 組み立て作業
- 製造の複雑さ
多材料積層造形は、もう一つの選択肢を提供する。
製造業者は以下を印刷できます。
- 構造用炭素繊維ポリマーセクション
- 伝導性の内部経路
使用する材料：
- グラフェン
- カーボンブラック
別の方法としては、複合壁の内部に薄い金属製の格子状のインサートを埋め込む方法がある。
この報告書では、このアプローチを、以下の要素を備えた統合型ファラデーケージの作成と説明しています。
20 dBの電磁波減衰
動作周波数範囲全体にわたって。
航空宇宙分野におけるどのような事例研究が、積層構造の可能性を示しているのか？
実際のデモンストレーションは、積層造形技術が単純な試作品の段階を超えつつあることを示している。
ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）
LLNLのエンジニアは、以下の用途向けに積層造形技術を開発しました。
- モーターアームカバー
- ハイブリッドエンジン冷却マウント
その目的は、高出力動作時の熱を管理しつつ、電気部品を保護することであった。
統合冷却方式は、印刷構造がいかに保護と熱制御を両立できるかを示した。
3DFiT ユニボディドローンフレーム
3DFiTプロジェクトでは、内部にFCC格子補強材を備えた連続複合材製のドローンフレームの試験が行われた。
従来のDJI F450スタイルのフレームと比較して、この設計では以下のことが達成されました。
- について 質量を10%削減
- 機械的な留め具の数を減らす
- 関節可動域の減少
- アーム接続部における荷重伝達の改善
トロイダルプロペラの製造
従来型プロペラと積層型トロイダルプロペラ設計を比較した研究では、いくつかの利点が明らかになった。
LPBF AlSi10Mgバージョンが実証されました。
- 降伏強度は約 240 MPa
- 弾性係数付近 70 GPa
閉ループ形状により、ブレード先端の渦の発生が抑制され、ホバリング時の高周波騒音の低減に役立った。
報告された空力性能指数はおよそ次のとおりです。
FM 約0.45
埋め込み型導電性配線構造
複数の材料を用いたFFF方式の試験により、製造業者は構造部品内部に導電性経路を印刷できることが実証された。
これにより以下が生成されます。
- 統合電力ルート
- ESCシグナル伝達経路
- 配線ハーネスの複雑さを軽減
その結果、組み立てが簡素化され、部品点数も減少する。
航空宇宙企業は、積層造形部品の品質をどのように管理しているのか？
積層格子構造を試作品から航空機生産へと移行させるには、厳格な管理が必要となる。
優れた3Dプリント部品は、形状だけが重要なのではない。
航空宇宙メーカーには、以下のものも必要です。
- 再現可能な生産
- 材料のトレーサビリティ
- 欠陥検出
- プロセス監視
- 信頼性の高い試験データ
航空宇宙規格など AS9100D 製造業者に対し、生産工程のあらゆる段階を管理することを義務付ける。
格子構造の場合、多くの重要な機能が部品内部に隠れてしまうため、これはより困難になります。
印刷中のわずかな温度変化でも、薄い格子状の支柱に影響を与える可能性があります。
問題の原因としては、以下のようなものが考えられます。
- 不安定な粉体床の状態
- 再コーティング装置の動作
- レーザーエネルギーの変化
- 熱分布の不均一性
これらの問題は、外部からは見えにくい内部欠陥を引き起こす可能性がある。
現場モニタリングは、積層造形の品質をどのように向上させるのか？
最新のLPBFシステムは、生産信頼性を向上させるために、クローズドループ監視機能を追加している。
この報告書は、次のようなシステムを強調しています。 EOS Smart Fusion使用するもの：
- 光高温測定
- 溶融池のモニタリング
- 層ごとの熱分析
システムは印刷中の熱挙動を監視します。
機械が異常な熱パターンや局所的な過熱を検出した場合、製造中にレーザー設定を調整することができます。
これは以下の軽減に役立ちます：
- 熱による歪み
- 密度が不均一
- 製造上の欠陥
航空宇宙産業の製造においては、この種のモニタリングによって、各部品がどのように製造されたかのデジタル記録が作成される。
航空宇宙用格子部品にとって、CTスキャンとHIPが重要な理由とは？
従来の検査方法では、複雑な格子構造の内部を常に確認できるとは限らない。
部品は外見上は完璧に見えるが、内部には以下のような内容が含まれている可能性がある。
- 内部の孔
- 不完全な融合
- 閉じ込められた粉末
- 隠れた欠陥
非破壊 CTスキャン これにより、エンジニアは部品を切断することなく内部形状を検査できる。
金属構造部品については、報告書では以下の組み合わせを推奨しています。
- CT検査
- 身体検査
- ホットアイソスタティックプレス（HIP）
- プロセス監視
これにより、航空機搭載機器の認証プロセスがより強固なものとなる。
AIとジェネレーティブデザインは、航空宇宙用格子構造工学をどのように変えているのか？
複雑な格子構造は、数百万もの表面と接続点を含む可能性がある。
境界表現（B-Rep）に基づく従来のCADシステムは、動作が遅くなり、管理が難しくなる可能性がある。
現代の暗黙的モデリングシステムは、この問題を異なる方法で解決する。
エンジニアは、支柱を一つ一つ手作業で描く代わりに、構造を生成する数学的なルールを定義する。
これにより、以下のことが可能になります。
- より高速なトポロジー最適化
- より滑らかな密度変化
- デザイン変更が容易になる
- 複雑な内部形状
例えば、エンジニアは、急激な変化を生じさせることなく、軽量領域から高強度領域へと格子密度を徐々に変化させることができる。
AIはどのようにして新しい航空宇宙材料の開発に役立っているのか？
AIは幾何学設計以外にも活用されている。
機械学習システムは以下を分析できます。
- 粉末化学
- 印刷パラメータ
- 履歴の構築
- 材料性能データ
これは研究者が印刷可能な素材をより早く発見するのに役立ちます。
報告書では、AIの手法によって、以下のような一部の先端材料の開発サイクルが短縮されたと指摘している。
- 高エントロピー合金（HEA）
- ニッケルチタン（NiTi）形状記憶合金
約 50%。
これらの資料には以下の内容が含まれている可能性があります。
- より高い強度対重量比
- 温度性能の向上
- 振動減衰能力
これは、将来の電動航空機において、積層格子構造が利用できる範囲を拡大する可能性がある。
UAV（無人航空機）およびeVTOL（電動垂直離着陸機）企業は、積層格子技術をどのように導入すべきか？
企業は、すべての部品を3Dプリントすることから始めるべきではない。
より良いアプローチは、積層造形によって最も高い技術的価値が生まれる部品を選択することである。
目標は、従来の部品を単に印刷された部品に置き換えることではない。
目標はシステムを再設計することです。
1. 価値の高い構造領域から着手する
最初に軽量化を目指すべき最適な対象は、軽量化によって航空機全体の性能向上につながる部品である。
例：
- モーターハウジング
- プロペラハブ
- 胴体接続ノード
- ローターアーム構造
これらの部品には既に以下が必要です。
- 機械的強度
- 温度制御
- 振動管理
- 電気統合
単一の多機能プリント部品で、複数の別々の部品を置き換えることができる。
2. 適切な積層造形プロセスを選択する
部品によって、必要な製造方法は異なる。
高荷重の航空宇宙構造物の場合：
LPBF
以下のような材料に適しています。
- AlSi10Mg
- スカルマロイ
- Ti-6Al-4V
代表的な用途：
- 構造ノード
- モーターハウジング
- ローター部品
低負荷部品の場合：
SLS
以下のような素材を使用しています。
- PA11
- PA12
以下のような場合に適しています：
- フェアリング
- 電子機器筐体
- ダクト
プロセスは、エンジニアリング要件に合致していなければならない。
3．最初から積層造形を前提とした設計を行う
企業が犯す最大の過ちの一つは、まず従来型の部品を設計し、後からそれを3Dプリントしようとすることである。
積層造形は、エンジニアが最初からプロセス全体を考慮することで、最も効果を発揮します。
重要な設計要素には以下が含まれます。
- 建築方向
- 格子密度
- 支柱の厚さ
- サポート要件
- 粉体除去経路
- 排水穴
- 疲労挙動
積層造形のための設計（DfAM）は、当初のエンジニアリングワークフローの一部であるべきである。
4. 強固な検査・検証システムを構築する
航空宇宙分野の購買担当者は、すべての3Dプリント部品が常に安定した性能を発揮するという確信を必要としている。
制作契約では以下の事項を定めるべきである。
- 現場モニタリング要件
- CT検査基準
- 材料のトレーサビリティ
- 疲労試験手順
- 必要に応じてHIP要件を満たす
資格取得とは、優れたプロトタイプを作成することだけを意味するものではない。
それは、同じ品質の部品を何千回も生産することに関するものです。
電動航空機における積層造形格子構造の将来性は？
将来の航空機の構造は、単に軽量化されるだけではないだろう。
それはより賢くなるだろう。
プリントされたモーターハウジングは、次のような形状にもなり得る。
- 冷却システム
- 電磁シールド
- 構造支持
ブームアームは、次のような形状になることもあります。
- ケーブル経路
- 配電構造
- 振動制御部品
構造パネルは、以下の機能も管理できます。
- 熱流
- 電磁信号
- 重量配分
この変更は、以下の要素を組み合わせることによって実現しました。
- 格子工学
- マルチマテリアル印刷
- AIデザインツール
- 先端材料
- プロセス監視
最も大きな変化は、エンジニアが航空機部品について考える方法にある。
将来に関する問題は次のとおりではない。
「どの部品を3Dプリントできますか？」
それは：
「どのシステムを組み合わせて、一つの優れた多機能構造を構築できるだろうか？」
まさにそこに、積層造形格子技術がUAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）の開発において最大の価値を生み出す点がある。
よくある質問
積層造形における格子構造とは何ですか？
簡潔な答え：
積層造形による格子構造は、3Dプリンティングによって作られる軽量の内部フレームワークです。不要な固体材料を、強度を維持しながら軽量化を実現する設計されたパターンに置き換えます。
これらの構造は、FCC、ケルビン卿格子、ジャイロイド格子、シュワルツ・ダイヤモンド格子、I-WP格子などの設計を利用している。
エンジニアは、密度と形状を調整して以下を制御できます。
- 剛性
- 強さ
- 振動応答
- 熱伝達
- 電磁保護
航空宇宙用途においては、格子構造を用いることで、単に部品を薄くしたり強度を低下させたりすることなく、UAV（無人航空機）やeVTOL（電動垂直離着陸機）の部品を軽量化することができる。
格子構造はどのようにしてUAVやeVTOLの重量を軽減するのか？
簡潔な答え：
格子構造は、部品全体を固体材料で満たすのではなく、荷重を支える必要がある箇所のみに材料を配置することで、航空機の重量を軽減する。
従来の金属ブロックには、構造性能に寄与しない可能性のある材料が含まれている。
格子構造を採用することで、重要な荷重経路を維持しながら、不要な質量を削減できる。
この報告書では、構造重量の削減が約 33%～50% 従来の設計と比較して。
実際の結果は以下によって決まります。
- 材料
- 幾何学
- 安全要件
- 製造方法
- 試験基準
航空宇宙製造ではどのような格子構造が使用されていますか？
簡潔な答え：
航空宇宙分野で最も一般的な格子構造設計には、FCC、ケルビン卿格子、およびジャイロイドやI-WPなどのTPMS構造が含まれる。
FCC構造は、多方向からの荷重に対して優れた性能を発揮します。
ケルビン卿構造は、曲げ抵抗とエネルギー吸収能力を備えている。
TPMS構造は、以下のものを支える滑らかで連続的な表面を作り出します。
- 疲労性能
- 流体の流れ
- 熱管理
- EMI吸収
適切な設計は、航空機の構成部品と運用条件によって異なります。
3Dプリントされた格子状部品は、従来の航空機部品に取って代わることができるのか？
簡潔な答え：
はい、ただし技術的な検証と認定が完了した後に限ります。
積層構造部品は、以下のような従来の部品を置き換えたり、組み合わせたりすることができる。
- 括弧
- 住宅
- フレームノード
- 冷却構造物
しかし、航空宇宙企業は以下の点を検証しなければならない。
- 疲労寿命
- 材料の挙動
- 生産の一貫性
- 内部品質
- 認証要件
印刷された試作品は、最初のステップに過ぎない。
航空宇宙分野における積層造形における最大の課題は何ですか？
簡潔な答え：
主な課題は、疲労性能、粉体除去、シミュレーション精度、熱管理、EMI対策、および生産品質管理である。
エンジニアは、以下の原因によって生じる問題を解決しなければならない。
- 表面粗さ
- 層状材料の挙動
- 閉じ込められた粉末
- 内部欠陥
- 環境シーリング要件
業界は、より優れた材料、改良されたソフトウェア、監視システム、そしてより強力な検証方法を通じて、これらの課題に取り組んでいる。