概要：本ガイドでは、積層造形が防衛用UAV、VTOL（垂直離着陸）機、および3DプリントされたVTOLドローンの開発と生産にどのような変革をもたらしているかを解説します。 航空宇宙メーカーが、3Dプリントを活用して軽量化や部品の統合を図り、開発を加速させ、飛行可能なコンポーネントを製造し、さらに先進材料や航空宇宙業界の認証を受けたワークフローを用いて生産規模を拡大している方法についてご紹介します。
すべてのUAVプログラムが同じ製造要件を満たすわけではありません。小型の戦術用UASでは、スピード、人的介入の少ない生産、入手可能な材料、迅速な反復開発が優先される場合があります。一方、より大型のグループ4またはグループ5のUASでは、耐空性、材料の認定、工程管理、トレーサビリティ、ライフサイクル信頼性に関して、航空宇宙業界並みの厳格な基準が求められる場合があります。
積層造形は、防衛用UAVやVTOLプログラムにおいて、単なるラピッドプロトタイピング以上の価値をもたらします。航空機の開発スピードアップや軽量化から、サプライチェーンのレジリエンス向上、コンプライアンスに準拠した生産の支援に至るまで、この技術はメーカーが同分野で直面する最も差し迫った技術的課題の解決を支援しています。
UAVおよびVTOLプログラムにおいて、積層造形がもたらす最大のメリットの一つは、単に部品の印刷を高速化することだけではありません。それは、製造、組み立て、検査、保管、および保守が必要な部品の数を削減することにあります。 多くの場合、複数のコンポーネントを1つのプリント部品に統合できるため、組み立ての複雑さや金型要件を軽減できます。ブラケット、ハウジング、ダクト、マウント、構造部材などをより少ないコンポーネントに統合することで、AMは組み立て作業、品質チェック、物流の複雑さも軽減します。
防衛プログラムでは、新しいペイロード、センサー、任務要件、運用環境に合わせて航空機を適応させる必要がしばしばあります。AMを活用することで、チームは新しい金型を待つことなく、更新されたコンポーネントの試験、改良、生産を行うことができます。 例えば、オーロラ・フライト・サイエンシズ社はAMを活用して世界初の3Dプリント製ジェット推進式UAVを開発し、開発期間を半減させました。なお、一部の部品については、飛行試験に先立ち20回以上の設計改良が繰り返されました。
AMにより、軽量構造や最適化された形状を実現し、航続距離、滞空時間、積載能力、および航空機の総合的な性能を向上させることができます。必要な場所にのみ材料を配置することで、エンジニアは不要な重量を削減しつつ、機械的要件を満たすことが可能です。
UAVプログラムが量産段階に移行するにつれ、課題は「1つの部品を成功裏にプリントすること」から、「製造ロット、機械、オペレーター、施設を横断して、数千個の再現性のある部品を生産すること」へと移行します。Stratasysのある生産調査では、分散配置された6台のデスクトップ型プリンターを1台の産業用FDM®プリンターに置き換えた結果、総生産時間を約51％短縮すると同時に、部品点数と組立作業の労力も削減できました。
AM（アディティブ・マニュファクチャリング）は、認定済みの部品、金型、交換用コンポーネントを、必要とされる場所の近くで生産することを可能にすることで、サプライチェーンにさらなる強靭性を加えます。 防衛用UAVプログラムにおいては、特に部品が少量生産、任務専用、あるいは従来のルートでは調達困難な場合、これにより、長いリードタイム、不安定な第三者供給元やNDAA（国防権限法）に準拠していない調達先、あるいは在庫制約への曝露を軽減することができます。 この事例では、3Dプリントによる交換用部品によりコストを88％削減すると同時に、さらに多くの認定済み航空宇宙部品の製造に向けた再現性のあるプロセスの確立にも寄与しました。
UAVおよびVTOLの製造において、材料選定、工程管理、文書化、検査、およびトレーサビリティは不可欠です。 ストラタシスは、生産グレードの材料、管理された積層造形ワークフロー、および製造業者が造形記録の作成、生産データの管理、製造プロセス全体にわたるトレーサビリティの確保を可能にするGrabCADのソフトウェア機能を通じて、これらを支援します。これらの機能を組み合わせることで、航空宇宙および防衛分野のチームは、生産に求められる再現性と信頼性を備えた、耐久性に優れた最終用途向け部品を製造するための管理されたプロセスを確立できます。
マルチローター型ドローンは、複数の揚力ローターを用いて揚力と推進力の両方を発生させます。機械構造が単純でありながら機動性に優れているため、偵察、監視、および短距離の任務に適しています。
マルチローターはローターが生み出す揚力に完全に依存しているため、1グラム単位の重量が重要となります。 軽量な構造は、飛行時間、積載能力、および全体的な効率を最大化するのに役立ちます。また、積層造形（アドディティブ・マニュファクチャリング）により、機体の重量配分、ペイロードの統合、バッテリーハウジング、ペイロードマウント、アビオニクス筐体といった主要コンポーネントの振動挙動を最適化し、これらすべてを機体の任務に合わせて調整します。
「リフト・プラス・クルーズ」型航空機は、垂直上昇用に専用のモーターを使用し、前進飛行用に別の推進システムを採用しています。「クワッドプレーン」設計は代表的な例であり、マルチローターの揚力と固定翼設計の効率性を組み合わせています。
こうしたドローンには、多くの場合、複数のハウジング、ブラケット、バッテリーコンパートメント、ペイロードマウントが必要であり、幾何学的に複雑な空力構造が求められます。積層造形技術を活用することで、これらのコンポーネントを統合し、組み立ての複雑さを軽減できるほか、さまざまなペイロードやミッション要件に迅速に対応できる、軽量でミッション特化型のコンポーネントを容易に製造することが可能になります。
ティルトローターおよびティルトウィング航空機は、ローターまたは翼自体を回転させることで、垂直飛行と水平飛行を切り替えます。これにより、ヘリコプターのような離着陸性能と、他の多くのVTOL設計よりも高い速度および長い航続距離を両立させることができます。
これらは機械的に複雑な構造であるため、軽量な構造体、ハウジング、ブラケットへの需要が高まり、多くの場合、迅速なプロトタイプ製作の繰り返しが必要となります。AMは、設計変更を迅速に検証する必要がある場合や、従来の製造方法では困難または高コストとなる複雑な形状を一体化させる必要がある場合に有用です。
テールシッター型航空機は、尾部を使って垂直に離着陸した後、水平飛行へと移行します。他のVTOLアーキテクチャほど一般的ではありませんが、機械的な設計がシンプルであるため、重量や製造の複雑さを軽減できる場合があります。
複数の機能を統合し、部品点数を削減した一体型構造や軽量な機体を造形することが可能です。また、AMの主な利点である迅速な反復設計についても言及すべきでしょう。エンジニアは、垂直飛行モードと水平飛行モードの両方において、ドローンの安定性、バランス、空力性能を微調整することができます。
認証済み積層造形による生産に向けた設計には、航空機の性能を最適化するだけでは不十分です。エンジニアは、プログラムのライフサイクル全体を通じて、部品がどのように製造、認定され、一貫して生産されるかについても考慮しなければなりません。
アディティブ製造の最適な活用例は、単に部品の重量を軽減するだけにとどまりません。それにより、生産の総負担を軽減します。具体的には、組立工程の削減、締結部品の削減、接着工程の削減、治具の削減、検査ポイントの削減、そして在庫管理対象品の削減などが挙げられます。UAVプログラムにおいては、これは造形された部品自体の性能と同様に重要な要素となり得ます。
VTOL機は、推進システム、バッテリー、ペイロード、航空電子機器を搭載しつつ、可能な限り軽量かつ高効率でなければならない。トポロジー最適化とジェネレーティブデザインにより、エンジニアは、全体の強度と性能に寄与する箇所にのみ材料を配置できるようになる。
AM（アディティブ・マニュファクチャリング）により、従来の製造で慣れ親しんできた金型の制約を受けずに、こうした最適化された形状を製造することがより現実的になります。例えば、オーロラ・フライト・サイエンシズ社は、最適化されたトポロジーを用いて不要な材料を除去し、剛性が高く軽量な機体構造を作り出し、複数のコンポーネントを単一の部品に統合しました。
3Dプリント技術により、エンジニアはブラケット、ハウジング、ダクト、取り付け部を少ない部品に統合し、接着接合部や組立工程を削減したシンプルなアセンブリを実現できます。こうした設計は一貫した製造が容易であり、認定された航空宇宙生産に求められる再現性を支えるのに役立ちます。
航空宇宙分野では、部品が燃料、作動油、極端な温度、その他の過酷な動作条件に耐えつつ、検証済みの生産グレードの製造を支えなければならないため、適切な材料の選定が極めて重要です。
積層造形が量産段階に移行するにつれ、飛行に耐えうる部品を製造し、生産および認定ワークフローに必要な文書化、トレーサビリティ、プロセス管理を支えるためには、検証済みの材料、プロセス制御、およびトレーサビリティが不可欠となります。
ご想像の通り、積層造形向けの部品設計には、材料の選定以上の要素が関わります。造形方向は、サポート材の要件、内部流路、表面品質、寸法精度、および機械的性能に影響を与えるため、設計プロセスの早い段階で考慮する必要があります。造形方向を念頭に置いて設計することで、サポート材の除去や後処理が簡素化され、より一貫した部品品質が得られます。
また、設計段階において、部品の洗浄、検査、仕上げの方法についても検討する必要があります。これらの工程を早い段階で考慮しておくことで、製造の簡素化、ばらつきの低減、そして再現性の高い生産の実現につながります。
軽量化については別の箇所で説明しているため、重複を避けるべく、ここでは部品の統合に焦点を当てています。
後ほど後処理についてより詳細に解説するため、ここでは設計段階における造形方向の決定に焦点を当てたいと思います。
あらゆるUAVやVTOL用途に汎用的に適用できる単一の材料は存在しません。材料の選定は、部品の機能、荷重条件、動作環境、認定要件、および生産量によって異なります。防衛プログラムにおいて、最も堅実な材料戦略は多くの場合、実用的なものです。すなわち、実績があり、入手可能で、特性が十分に把握されており、反復可能な製造とプログラム要件を満たす材料を使用することです。
は、航空宇宙および防衛分野で最も広く採用されているAM材料の一つです。高い強度対重量比と、優れた熱性能、ならびに難燃性・発煙性・毒性（FST）特性を兼ね備えており、航空機の内装、ハウジング、ダクト、ブラケット、構造部品などに最適です。
軍事用UAVやVTOLプログラムにおいて、軽量化、耐久性、そして航空宇宙分野での実績が最優先事項となる場合、ULTEM™ 9085フィラメントがしばしば採用されます。機械的性能と航空宇宙分野での確かな実績を兼ね備えているため、量産や飛行準備段階の用途において有力な選択肢となります。
FDMシステム向けのナイロン12CF材料は、チョップドカーボンファイバーで補強されたナイロンを組み合わせたもので、機体構造、取り付けブラケット、ペイロードサポート向けの軽量かつ高強度・高剛性の部品を製造します。航空機の性能を最大化するために高い剛性対重量比が求められる用途に最適です。
FDM用Antero® 840CN03材料は、過酷な航空宇宙および防衛用途向けに開発されたPEKK系熱可塑性樹脂です。 高い強度、熱性能、耐薬品性、および静電気散逸（ESD）特性を兼ね備えているため、燃料、作動油、または高感度な電子機器にさらされる可能性のある、アビオニクス筐体、コネクタ、ブラケット、ダクト、およびミッションシステム部品に最適です。
一部のUAV部品において、SAF™技術を搭載したPA12素材は、大量生産に向けたコスト効率に優れたソリューションを提供します。効率的なネスティング、安定した部品品質、高いスループットにより、性能や認定要件に応じて、ハウジング、カバー、治具、その他の軽量ポリマー部品の製造に最適です。
成功した試作機から量産へと移行するには、単にプリンターを増設するだけでは不十分です。UAVおよびVTOLメーカーには、（多くの場合、複数の拠点にまたがる）再現性のある製造プロセス、管理されたワークフロー、効率的な後処理、認定済みの材料、そして不要な設備の増加、人件費の負担、組み立ての複雑化を招くことなくスケールアップ可能な生産モデルが求められます。
産業用FDM®システムでは、より少ないビルド回数で大型のアセンブリを製造できるため、部品点数、組立作業の負担、および全体的な生産時間を削減できます。これにより、一貫性、生産のばらつき、スループットも向上します。これにより、断片的なプロトタイプ製造から、再現性のある量産ワークフローへのスケールアップが可能になります。
量産においては、造形方向を標準化し、文書化する必要があります。造形方向は、機械的性能、寸法精度、表面品質、サポート材の要件、およびスループットに影響を与える可能性があります。一貫した造形戦略により、製造業者は複数の造形、異なる造形機、および異なるオペレーターにわたって再現性を向上させることができます。
防衛用UAVやVTOL航空機は、多くの場合、部品が湿気、粉塵、紫外線、極端な温度、運用上の摩耗にさらされる過酷な環境に対処しなければなりません。後処理は、こうした条件に耐えられるよう、プリントされた部品を準備するのに役立ちます。
用途に応じて、これにはサポートの除去、表面仕上げ、シーリング、コーティング、検査、または認定試験などが含まれます。その目的は、取り扱いを最小限に抑え、予測可能なスループットと再現性のある品質を実現する部品およびワークフローを設計することで、製造工数を削減しつつ、運用上の耐久性と実戦配備への準備態勢を向上させることにあります。
積層造形の利点の一つは、同一のデジタルワークフローで、設計の反復、金型製作、ブリッジ生産、および選定された最終用途部品の製造をすべてサポートできることです。設計変更はCADファイルから直接行うことができるため、チームは新しいハード金型を待つことなく、低量生産へと移行しながら部品を改良することができます。
多くのUAVプログラムにおいて、生産に関する課題は「自社製造か外部調達か」という問題でもあります。社内で3Dプリントを行いたいと考えるチームもあれば、外部生産、ブリッジ製造、あるいは急増する需要に対応する生産能力を必要とするチームもあるでしょう。「プラットフォーム＋生産」モデルを採用することで、需要、認定、または生産能力の要件が変化した際に、プログラムは社内の積層造形能力とStratasys Directの製造サポートの間を柔軟に切り替えることが可能になります。
ジェネラル・アトミクス社は、同社の無人航空機プログラム全体でこのアプローチを採用し、MQ-9B スカイガーディアン用の約240個の部品を含む、数千個の部品を3Dプリントしました。
積層造形は、すべてのUAV部品や生産量に適した製造プロセスというわけではありません。この技術が最も威力を発揮するのは、単位コストの最小化よりも、重量、複雑さ、反復速度、小～中規模の生産、サプライチェーンのリスク、あるいはミッション固有のバリエーションがより重要視される場合です。
特に適した用途としては、以下が挙げられます：
新しいVTOLプラットフォームの開発、戦術用UAVプログラムの拡大、あるいは適格な生産サポートの検討など、どのような状況であっても、ストラタシスは、積層造形によって部品点数の削減、組立工程の簡素化、反復開発の加速、そして反復可能な生産の支援が可能となる領域を評価するお手伝いをいたします。
まずは、代表的なUAVの部品、アセンブリ、または生産上のボトルネックから検討を始めてください。当社のチームが、積層造形が適しているかどうか、また、社内で生産すべきか、当社の安全で認定を受けた米国契約製造サービス「Stratasys Direct」を利用すべきか、あるいはハイブリッドな「自社製造／外部調達」モデルを採用すべきかを評価するお手伝いをいたします。
具体的な用途についてのご相談や、3Dプリンティングに関するご質問への回答など、詳細については、今すぐ当社のエキスパートまでお問い合わせください。
