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軽くて強い3Dプリンター製部品、航空機エンジン実用化までの軌跡

航空機エンジンは大きくて複雑ですが、驚くほど小さな部品がその性能に大きな違いを生み出すこともあります。今からさかのぼること、10年。GEアビエーションとフランスのサフラン・エアクラフト・エンジンの合弁企業であるCFMインターナショナルは、燃費効率の良い新型エンジンの開発に着手しましたーーこれが昨年夏から商業運転を開始したエアバスA320neoに搭載されているLEAPエンジン開発のはじまりです。CFMインターナショナルが手掛けるエンジンは単通路型のナローボディー機用エンジンが主流で、このマーケットは規模が大きいため収益が期待できる一方、燃料消費と排気ガスを劇的に低減させる必要性に直面していました。

そんな中、カギとなったのは燃料ノズルでしたーーGEアビエーションは、試行錯誤の末、効率的にエンジンの燃焼器に燃料を噴射できる燃料ノズルの設計に成功したのです。最近までGEアビエーションでエンジニア部隊を率いていたムハンマド・エフテシャミーは「なんとまぁ、これはスゴイ設計だ、と思いましたよ」と振り返ります。ただ、一つ問題がありましたーー内部構造が非常に複雑な燃料ノズルの先端部には溶接やロウ付けが必要な部品が20点以上もあり、設計通りに製造するのはほとんど不可能だったのです。「8回も鋳造を試みたけど、ことごとく失敗してしまったんだ」とエフテシャミーは続けます。

ムハンマド・エフテシャミー
現在はGEアディティブの責任者として3Dプリンター事業の拡大を進める

一方で、シンシナティを拠点とするGEアビエーションのエンジニアたちは、1990年代から3Dプリンター技術のパイオニアであるグレッグ・モリス氏が創設した地元企業のモリス・テクノロジーズと協働してきました。モリス氏は人間のものづくりの手法を静かに変えてきましたーー材料を切削するのではなく、レーザーを使って髪の毛ほどの厚さの金属粉末層を溶接して積層することで、コンピュータ上にあるファイルをもとに複雑な部品を3Dプリンターで造形するのです。この一連の製造技術は、材料を切削するのではなく積層するため「アディティブ(積層)」と呼ばれています。

GEのエンジニアたちは、長年、モリス氏の工場にある特注の機械で新型エンジン部品の試作品を造形し、新しい設計を何度も繰り返し試してきました。しかし、エフテシャミーをはじめとするプロジェクト担当者にとって、最も関心があったのは3Dプリンター技術を用いて複雑な部品を大量生産することができるかどうかでした。なぜなら、これはまだ誰も挑戦していなかった試みだったからです。

彼らはモリス氏と秘密保持契約を結び、複雑なノズル先端部の設計図を共有しました。モリス氏は3Dプリンター技術を使ってニッケル合金でこれを造形し、数日後にチームを招きました。「あの日のことは今日のことのようによく覚えています」とエフテシャミーは振り返ります。「興奮と不安が交錯した心境でした。解決策を見出せたと思った反面で、この技術は過去何年にもわたる努力を水の泡にし、また、我々の財務モデルにも大きな変化をもたらすだろうと思いました」

25%もの軽量化を実現した、LEAPエンジンの3Dプリンター製ノズル

完成した燃料ノズルはチームの大きな期待に応える仕上がりでした。20部品すべてが一体化されていただけでなく、これまでの燃料ノズルに比べ25%の軽量化と4~5倍の耐久性を実現していたのです。「信じられないくらい素晴らしいテクノロジーだと思いましたよ。航空機エンジンの設計は複雑ゆえにコストがかかります。でも、この技術は洗練とコストダウンを両立できるんです。これはまさにエンジニアの夢で、こんなことが可能になるとは思ってもみませんでした」とエフテシャミーは話します。

GEアビエーションは2012年にモリス・テクノロジー社を買収しました。その後すぐにアディティブの限界についてテストをし、新たな適用先について模索し始めました。エフテシャミーとチームは、数台の3Dプリンターをメイン拠点から殺風景なビルへと運び出し、古い商用ヘリコプターのエンジン部品を造形する試みを密かに開始しました。「私たちは6人のエンジニアを連れて行き、エンジン全体の何割を3Dプリンターで製造できるか確認しようと伝えました。予算を削られたくなかったので、この動きを財務管理担当に気付かれないようにしながらね」とエフテシャミーは苦笑します。

そして、ついに極秘の取り組みは報われました。チームは18カ月の間にエンジンの半分を3Dプリンターで製造できるようになり、900点の部品をたった16点に減らしました。この中には従来300の部品でできていたものもあります。これらの部品は従来品より40%軽く、60%安く仕上がりました。「これまでのやり方でこれらの部品を作ろうとすれば、だいたい10~15社のサプライヤーが必要で忍耐力も求められます。ナットやボルトを準備し、溶接したり締め金を取り付けたりもしなければいけません。でも、それらはすべて不要になったんです」とエフテシャミーは説明します。

2014年までに、エフテシャミーのチームは上司であるGEアビエーションの社長兼CEOデイビッド・ジョイスに報告するに足る成果を得た実感を得たといいいます。ただ、ジョイスはCEOに就く以前、エフテシャミーと同様に何十年もGEのエンジニアとして働いており、誰よりも厳しい評価をするだろうと覚悟していました。彼に成果を報告し、まだ胸に留めておいてくれと頼んだところ「そんなことはありえない。ジェフ(GE会長兼CEOのジェフ・イメルト)に伝えたいし、取締役会でも報告したい」とジョイスは答えました。

ジョイスとのミーティング後、事態はどんどん進展し始めます。3Dプリンター製の燃料ノズルを大量生産するための体制を整える専任チームも発足しました。この燃料ノズルはCFMインターナショナルの歴史のなかでもベストセラーのエンジンであるLEAPに組み込まれています。CFMインターナショナルはこれまでに12,200台以上のLEAPを受注、リストプライスでの受注額は1,700億ドルを上回っています。今では、米国アラバマ州オーバーンに燃料ノズルを製造するための工場も設けています。

その間、別のエンジニアチームは次なるチャレンジに取り組んでいましたーーまったく新しい先進的なターボプロップエンジン(ATP)の開発を決めたのです。このチームは、アディティブ・マニュファクチャリング(積層造形)を活用することで855の部品をわずか12点にまで集約することに成功、設計がよりシンプルになったことで軽量化に加えて、20%もの燃費改善や10%の出力アップを実現しました。また、3Dプリンターを使って素早く試作品を作り出すことが可能になったおかげで、開発期間は3分の1に短縮しています。テキストロン・アビエーション社は、昨年の夏、新型のビジネスジェット機であるセスナ・デナリにこのエンジンを採用することを決めています。

GEは、アディティブ事業のポートフォリオ拡充を進めており、昨年には10億ドル以上を投じて産業用3Dプリンター製造の分野で業界をリードする二つの企業、スウェーデンのアーカム社とドイツのコンセプト・レーザー社の株式の過半数を取得しました(コンセプト・レーザー社は完全子会社化)。コンセプト・レーザー社は金属粉末から部品を積層するレーザープリンター、アーカム社は電子ビームのプリンターを製造しています。電子ビームの機械はより速い造形、厚さ100ミクロンの層の溶融、レーザープリンターの2倍の照射幅を実現します。また、鋼の半分の軽さでありながら、成形が極めて難しいチタンアルミのような素材からも部品を積層することができるのも特徴です。実際、イタリアのカーメリにある工場では、GE90よりさらに大きい航空機エンジンGE9X向けのチタンアルミ製低圧タービンブレードをすでに製造しています

GEのアディティブに関する取り組みは始まったばかりです。GEの会長兼CEOのジェフ・イメルトは毎年恒例の株主の皆様への手紙の中で、「アディティブ・マニュファクチャリングの長期的なマーケットポテンシャルは非常に高く、750億ドル規模に達する」と確信していて「現在は3億ドルほどの収益規模だが、2020年までには10億ドルのビジネスを作り上げていく」と述べています。アーカム社とコンセプトレーザー社への投資は、3Dプリンター事業をGEの社外のさまざまな産業を対象に展開するための第一歩で、両社のマシンは航空宇宙や自動車産業をはじめ、医療インプラントやジュエリーなどの産業でも活用されるようになるだろうとエフテシャミーは言います。

アディティブ・マニュファクチャリングはすでにGEアビエーションを筆頭にGEオイル&ガス、GEパワー、GEヘルスケアなど複数の事業部門で成果を挙げています。GEアディティブは、最近、シンシナティ近郊にアディティブ・トレーニング・センター(ATC)をオープンしました。その施設には金属材料を積層するプリンターが約30台、プラスチック材料を積層するプリンターは約40台設置されています。ここは、GEの中央研究所であるGEグローバル・リサーチーー1990年代初頭に世界で初めて3Dレーザープリンターの一つを開発したーーのエンジニアと緊密に協働しながら開設に至りました。なお、GEは、ピッツバーグ近郊にもアディティブ・テクノロジー・アドバンスメント・センター(CATA)と呼ばれる同様の施設を持っています。

アディティブ・テクノロジー・アドバンスメント・センター
ピッツバーグ近郊のこの施設でもアーカム社製3Dプリンターが稼動している

ATCは年に数回、「マニュファクチャリング・ブート・キャンプ」を開催、数百人のエンジニアが研修に参加しています。そして、研修を終えたエンジニアたちが習得したアディティブの知識を各事業部門に浸透させるのです。エフテシャミーは次のように述べています。「マシンの使い方を習得させたら、実践的な課題を与え、エンジニアたちに言うんですーー解決策を見つけてそれを3Dプリンターで造ってみろってね」 ATCでは、ものづくりに携わるエンジニアたちにプリンターの使い方をマスターさせるだけでなく、材料の専門家を訓練してサプライチェーンの再構築も図っています。「今、何百機もの大きな航空機が世界中を飛び、機械部品を運んでいます。でも近い将来そんなことは全部不要になって、必要なものは3Dプリントするだけで済むようになるかもしれません」