航空宇宙製品デザインの革新
技術革新をリードする産業には「隠し味」があります。それは、本稿で焦点を当てる製品設計アプローチです。航空宇宙分野における製品設計は、エンジニアリングの原理と創造的な問題解決を融合し、未来の航空機や宇宙船を開発します。
では、例えば構造解析のように、航空宇宙製品の設計を形作ったエンジニアリングのイノベーションを探求してみましょう。現在、これらの技術や方法論が、エンジニアが複雑な航空宇宙部品を開発する上でどのように役立っているかを検証します。最後に、航空宇宙分野におけるAIの現在と将来的な役割について簡単に説明します。AIは安全性を損なうことなく、設計期間の短縮とコスト削減に関する課題を解決するためにエンジニアを支援します。
1.航空宇宙製品設計：昨日、今日、そして明日
ライト兄弟が初めて空を飛んで以来、航空宇宙工学は長い道のりを歩んできました！
設計プロセスは純粋に進化しています。かつてはシンプルな製図板でしたが、今では短期間で習得できる高度なソフトウェア・ツールを使うようになってきました。
根本的に異なるアプローチの一例として、製図板は100％コンピューター支援設計（CAD）に取って代わられました。CADは、航空宇宙エンジニアが3Dモデルを作成し、組織全体で即座に共有することを可能にします。
さらに、コンピューター支援エンジニアリング（CAE、すなわち数値シミュレーション）ツールは、CADファイルをバーチャルに要約し、"バーチャル・エンジニアリング・リアリティ "をもたらします。
バーチャルな表現は、NASTRANのようなツールで構造解析の精度を高め、CAEがこの分野で尊敬を集めるきっかけとなり、認証プロセスでも認められています。これらのツールや手順は、認証（FAAや国際的な）に要求される最高レベルの忠実度で重要なデータを提供します。
航空宇宙製品のエンジニアは、明日の航空機を創造するために、常に最先端の技術を探し求めています。この探求は、先進複合材料の広範な採用から、設計プロセスにおけるCAEや、最近ではAIの統合にまで及びます。例えば、空力シミュレーションを前もって行うことで、試作品を作る前に空力性能を評価することができます。同時に、航空宇宙工学で要求される精度の高さ（「失敗は許されない」）には、航空宇宙工学におけるあらゆる新しいツールの検証が必要です。
このように、航空宇宙エンジニアリングは急速に進化しており、検証は気まぐれではなく必須であるため、技術の進歩に伴って新たな課題と機会が生まれています！
今後、航空宇宙エンジニアリングは、空で可能な限界を超えるだけでなく、その先でも極めて重要な役割を果たすでしょう！
1.1.イノベーションの課題：航空宇宙設計における先端材料
航空宇宙製品設計における最も興味深い発展のひとつは、先進複合材料の導入です。先進複合材料は、エンジニアが設計や航空宇宙部品製造に取り組む方法に革命をもたらしました。先進複合材料は、重量と耐久性のユニークな組み合わせを実現しており、航空宇宙構造にとって理想的な材料となっています。
軽量先端複合材料
炭素繊維強化ポリマーは、ポリマーマトリックスに埋め込まれた炭素繊維で構成されています。おそらく、航空宇宙エンジニアリングにおいて最も進んだ複合材料です。
その結果は？鋼鉄よりも強く、はるかに軽い素材！
当然のことながら、航空宇宙会社は航空機の胴体や主翼の製造に炭素繊維強化ポリマーを使用することが増えています。これらの高度な複合材料は、航空機の重量を削減しています。
高強度合金
先進複合材料が注目を集めています。しかし、航空宇宙分野では合金も重要な役割を果たしています。チタン合金は、優れた強度対重量比と耐腐食性および耐疲労性を備えています。これらは、航空機エンジンや、一般的に極端な温度と応力にさらされるその他の部品に最適です。このように当社は、部品の性能と構造的完全性を最適化するために、先進複合材料と先進合金を採用しています。
1.2.航空宇宙エンジニアリングにおけるデジタルツインとシミュレーション
航空宇宙製品設計におけるもうひとつの革新は、デジタルツインです。デジタルツインとは、物理的な製品やシステムを仮想的に表現したものです。航空宇宙エンジニアリングでは、航空機全体のモデリングにデジタルツインが使われることが増えています。これにより、1つの物理的なコンポーネントが生産に入る前に、設計をテストし最適化することができます。
デジタルツインの使用は、設計と生産の両面でいくつかの利点をもたらします。
航空宇宙エンジニアは、設計プロセスにおける潜在的な問題を前もって特定することができ、コストのかかる物理的なプロトタイプの必要性を減らし、開発サイクルを加速することができます。様々な条件下でシミュレーションを行うことで、空力および構造完全性設計を最適化することができます。
デジタルツインは、設計の下流で、航空宇宙企業がメンテナンスの必要性を予測し、ライフサイクルを通じて航空機の性能を最適化することを可能にします。このテクノロジーは、航空機のメンテナンス手法に革命をもたらす可能性があります。その結果は？安全性の向上とダウンタイムの削減です。
1.3.航空宇宙産業向け積層造形（3Dプリンティング）
「3Dプリンティング」として知られる積層造形は、製品設計を大きく変える技術です。従来の製造技術では困難な、あるいは不可能な部品を作ることができます。
航空宇宙エンジニアリングでは、積層造形は小さなブラケットから大きな構造要素まで、事実上あらゆるものを作ることができます。従来の製造工程と比較した利点は、例えば以下の通りです：
• より自由な設計：積層造形は、部品の性能を最適化できる形状を作成する際の制約が少ない。
• 材料効率：積層造形は完成品に近い状態でのアプローチであり、後加工を最小限に抑えた部品を製造するため、材料の無駄が削減される。
• 迅速な試作：3Dプリンティングは、テストと検証用の試作を迅速に作成できるため、設計プロセスを加速する。
2.航空宇宙製品設計におけるAIとML
人工知能（AI）と機械学習（ML）は、設計プロセスにおいてますます存在感を増しています。これらの技術は、開発の効率化に役立ちます。たとえば：
• ほぼリアルタイムで動作するシミュレーションツールのサロゲートによる性能予測。
• ジェネレーティブデザインでデザインを最適化し、デザイン空間の未踏領域に到達する。
AIは最適化において航空宇宙構造に影響を与えます。
最適化とは：
第一に、AIは、過去数年間のシミュレーションや実戦テストの経験から収集・保存されたデータセットを分析します。
第二に、AIアルゴリズムは、例えば空気力学を改善したり、構造的完全性を高めたりする設計変更を提案します。
AIの秘密とは：
そのアルゴリズムは、過去のデータを再利用することで、システムやサブシステムの性能を予測することができます。これらのアルゴリズムは、コンポーネントが実際のシナリオでどのように動作するかを予測するために学習することができます。この予測能力は、エンジニアが設計プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定するのに役立ちます。
AIとMLを航空宇宙産業の設計に統合することは初期段階にあるが、潜在的なメリットは非常に大きいといえます。これらのテクノロジーは、今後数年（あるいは数ヶ月！）で進化し、エンジニアのツールキットに不可欠なものとなるでしょう。
3.航空宇宙産業における空力イノベーション
空力設計の進歩は、航空宇宙産業における技術革新の絶え間ない原動力となってきました。より効率的で高性能な航空機を追求することで、空力特性を最適化するための洗練されたツールや方法論が開発されてきたのです。
この分野で最も注目すべき技術革新のひとつは、航空宇宙産業における設計に数値流体力学（CFD）が広く採用されたことです。CFDは、航空機の周りの気流をシミュレートし、その空気力学に関する洞察を提供することができます。この機能により、空力設計に対するアプローチが変わり、物理的なテストよりも迅速かつコスト効率よく設計を繰り返すことができるようになりました。
航空機の効率を向上させるために、新しい空力コンセプトが登場しました。ウィングレット（主翼先端の小さな垂直延長部）の開発は、抗力を減らすことで燃料効率を向上させました。同様に、層流制御技術を探求することで、さらなる抗力低減と航空機性能の向上が期待できます。
4.持続可能な航空宇宙デザイン
環境への関心がますます高まる中、航空宇宙産業は持続可能な設計手法を重視しています。この持続可能性への焦点は、航空宇宙産業のいくつかの設計分野における技術革新を推進しています。
4.1.燃費効率と排出ガスの低減
燃費の向上と排出ガスの削減は、航空宇宙企業にとって最優先事項です。
そのため、以下がもたらされました：
• より効率的なエンジンの開発
• 軽量素材の使用
• より優れた空力特性を実現するための設計の最適化
先進複合材料はこの取り組みにおいて重要な役割を果たしており、燃料消費量の少ない、より軽量な航空機の製造を可能にします。
航空宇宙エンジニアはまた、航空が環境に与える影響をさらに減らすために、電気やハイブリッド電気システムなどの代替推進技術も模索しています。
これらの技術は、大型民間航空機用としてはまだ開発の初期段階にあるが、排出量と化石燃料への依存を削減する有望な可能性を示しています。
4.2.リサイクル可能な素材
航空宇宙産業が廃棄物を削減し、製品のライフサイクルの持続可能性を向上させようとする中で、設計におけるリサイクル可能な材料の使用が注目を集めています。これには、リサイクル可能な高度複合材料の開発も含まれます。もうひとつの例は、特定の用途のためのバイオベース材料の探求です。
航空宇宙産業は、建設に使用される既存の材料のリサイクル性向上にも取り組んでいます。これは、耐用年数を考慮した設計を意味します。耐用年数を考慮した設計により、耐用年数が終了した材料の解体とリサイクルが容易になります。
4.3.環境に優しい設計の実践
素材や推進力だけでなく、企業は製品のライフサイクル全体を通して環境に優しい設計を実践しています。これには、エネルギー消費と廃棄物を削減するための製造の最適化も含まれます。また、製品の寿命を延ばすために、メンテナンスや修理がしやすい設計にすることも目的です。ライフサイクル分析を設計に取り入れることで、環境への影響を最小限に抑えることができます。
5.課題と今後の動向
航空宇宙製品設計の進歩にもかかわらず、この業界は依然として多くの課題に直面しています。
最も差し迫った問題のひとつは、航空宇宙産業を管理する厳格な安全および認証要件と技術革新のバランスをとることです。
新しい製造工程や設計手法は、民間航空機に導入される前に、厳格な試験と検証を受けなければなりません。
もうひとつの課題は、複雑化する航空宇宙システムの管理にあります。
すべてのコンポーネントの信頼性と互換性を確保することは、より難しくなっています。航空機はより高度化し、電子システムやソフトウェアシステムがより統合されています。航空宇宙産業のエンジニアは、この複雑さを乗り切らなければなりません。同時に、厳しい性能要件とコスト要件を満たす製品を提供しなければなりません。
5.1今後の動向
今後、いくつかのトレンドがデザインの分野を形成していくでしょう。
トレンド1 - 自動化：AIやロボット工学の進歩により、設計や製造プロセスの自動化が進む。
トレンド2 - 統合：製品設計のあらゆる側面に持続可能性への配慮がより統合される。
トレンド3 - 推進力：電気や水素を動力源とするシステムを含む、新しい推進技術の開発。
トレンド4 - より軽く、より強く：材料科学の継続的な発展により、より軽く、より強く、より耐久性のある航空宇宙材料が生み出されている。
トレンド5 - 新しいコンフィギュレーション：材料と製造技術の進歩により、混合翼のボディデザインなど、新しい航空機構成が登場した。
エンジニアは、変化する業界の需要に対応し、上記のトレンドに貢献するために、継続的に適応し革新していきます。
Neural Conceptについて
Neural Conceptは、エンジニアリングを強化するためのAIディープラーニングアルゴリズムを開発しています。研究開発サイクルの高速化、製品性能の増強、次世代におけるエンジニアリング課題の解決により、これまでに80社以上の顧客の製品設計方法を革新してきました。同社は2018年、スイスのEPFLにある一流のAI研究室で設立されました。私たちは30人以上のメンバーで構成され、インテリジェンスで産業エンジニアリングの未来を変革するというビジョンに向かい全力を尽くしています。詳しくはこちら
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深層学習AI による解析結果予測ソリューション Neural Concept Studio
Neural Concept Studioは、深層学習AI技術をベースとした、SaaS型解析結果予測ソリューションです。3D形状や解析結果からAIモデルを構築、AIによる形状評価は最短数ミリ秒で完了します。形状パラメータが異なる部品や過渡現象にも適用でき、転移学習にも対応します。