新技術により、エンジン部品の安全性が向上する

センサーとソフトウェアによるインテリジェントな分析により、溶解工程全体を通じてインゴットの重要な品質データを把握します。

航空宇宙製造・設計| ポール・E・キング、アンドルー・J・エリオット

民間航空の安全性はかつてないほど高まっています。しかし、機械的な故障は起こり得るものであり、現在も実際に発生しています。2021年2月20日にコロラド州デンバーを出発したユナイテッド航空328便は、離陸から4分後に致命的なエンジン故障に見舞われました。 幸いにも、同機は空港に戻り、無事に着陸しました。連邦航空局（FAA）は安全規制の継続的な改善に取り組んでいますが、重大なエンジン故障を防ぐためには、さらに取り組むべき課題が残されています。

改善は、製造の初期段階である一次金属加工の段階で図ることができます。材料は、部品が受ける激しい応力や極限の温度に耐えられるように作られなければなりません。例えば、タービンディスクは、10,000rpmを超える回転速度と最大1,700°Cの温度下でタービンブレードを固定しています。 ファンブレードも同様に脆弱であり、UA 328便の事故がそれを証明しています。米国国家運輸安全委員会（NTSB）は、事故の原因をファンブレードの破損であると断定しました。2枚のファンブレードが金属疲労により破断したもので、これは一次金属加工の過程で生じうる巨視的および微視的な不連続性が原因であることが多くあります。

今日の製造プロセスでは、未来の航空機エンジン部品を生産することはできません。そうした基準を満たすためには、部品製造における革命が必要です。そこでは、完璧なプロセスと精密な設備によって、材料が最高の性能を発揮できるという確固たる信頼がもたらされるのです。

Ampere Scientific社 とConsarc Corp.は、センサーとソフトウェアによるインテリジェンスを活用して部品製造に革新をもたらすべく提携しました。両社の現在の使命は、真空アーク再溶解（VAR）プロセスにおいて、重要なエンジン部品の欠陥につながる可能性のある状態を検知することです。両社はこの技術を用いて、欠陥につながる状態を予測し、その発生を未然に防ぐことを目指しています。

VAR炉は、航空機の重要な航空エンジン部品に成形される特殊合金を再溶解・精錬するものです。現在のVAR炉では、成長中のインゴットを直接評価したりリアルタイムで可視化したりするのではなく、電気信号に基づいてプロセス制御やインゴットの品質評価が行われています。

アンペール・サイエンティフィック社は、溶解プロセスを可視化する「VARmetric」アーク位置検知技術により、この状況を変革することを目指しています。VARmetricは、高度な電磁界検知技術とコンサーク社のVAR炉測定技術を組み合わせることで、従来は溶解中に検出できなかった炉の運転特性を捕捉、記録、表示します。この技術は、コンサーク社の制御システムを利用して、炉の電流、電圧、真空度、ロードセル、ラムの位置・速度、および電磁撹拌を監視します。 さらにVARmetricは、VAR内の多数の地点における磁場の測定値を統合し、VAR内部のアークの位置を可視化します。

 

その結果、以下のリアルタイムデータが表示されます：

• 炉の運転特性（電流、電圧、真空度、溶融速度、ラム速度など）のグラフ
• VARアニュラスカメラからの映像に重ね合わせられたラジアルアークの位置
• 時間経過に伴うアークの分布
• 時間の関数としての電極の形状および位置
• サイドアーク状態、アークギャップの拡大、その他の異常事象、または電極の動きに関するアラーム

このデータは、インゴットの製造過程でオペレーターが利用可能であり、認定された合金インゴットのトレーサビリティ記録の一部として活用できます。この情報を用いることで、デジタルツインの一環として、製造工程における凝固欠陥の発生確率を算出することが可能です。 これにより、金属メーカー、エンジンOEM（相手先ブランド製造業者）、および規制当局は、使用している材料が一貫して製造されており、過酷な環境下で予想される厳しい条件に耐えられるという確信をより強めることができます。VARmetricは溶解プロセス全体を通じてデータを収集し、完成部品に対して微視的または巨視的な品質試験が行われるはるか以前に、インゴットの品質を評価するための詳細なマップを作成します。 技術の成熟とデータ蓄積の進展に伴い、VARmetricは早期警報システムとしての役割を果たすようになります。これにより、オペレーターは溶解工程中に先手を打って対応し、生産時のプロセス限界値を超過することを回避できるため、すべての溶解工程において、毎回一貫して最適な結果を得ることが可能になります。

こうした指針により、凝固欠陥が低減され、インゴットの品質に対する信頼性が高まります。高品質なインゴットは高品質な部品の製造につながり、次世代の航空機がより軽量で、より高速で、より強靭かつ安全に飛行できるようになります。

 

出典：『Aerospace Manufacturing & Design』