NASA: 3D プリントを使用して航空機の翼の着氷を研究

2019年8月28日、アンタークティックベアは海外メディアから、NASAの研究者が3Dプリント技術を使って航空機の翼の着氷問題を研究していることを知りました。

主なワークフローは、まずレーザー 3D スキャンによって航空機の翼に生成された氷の形状の高精度データを取得し、次に複雑な氷の形状を 3D プリントして、氷の形成と航空機への影響をより深く理解することです。

この研究は、NASA、連邦航空局（FAA）、フランス航空宇宙研究所（ONERA）、および米国のいくつかの大学が参加した5年間の共同研究プログラムの成果であり、そのデータは2020年に公表される予定である。

航空機の着氷問題を解決する

これまで、氷の形成に関する研究は、特殊な風洞で実際の氷を作成することに依存していました。極低温の水滴が翼などの航空機の部品に吹き付けられ、接触すると凍結します。これらの制御された条件下では、形成される氷の形状は自然界で形成されるものと一致します。その後、氷の形状が記録され、コンピューターシミュレーションを実行して、さまざまな氷の形状が航空機の空気力学に与える影響を研究します。

これまで、これらの形状を記録して分析するために使用されてきた方法は比較的単純なものでした。「私たちが最もよく使う方法は、熱した金属板を使って氷にスライスを切り、そこにボール紙を差し込み、鉛筆で氷の形の輪郭を描くというものだ」とNASAクリーブランド研究センター（GRC）の氷結技術者アンディ・ブローレン氏は語った。トレースの構造がかなり基本的なため、氷の形状の詳細は失われています。したがって、結果として得られるコンピュータコードは現実世界の現象を完全に表現することはできません。

研究者たちは長年にわたり、成形や鋳造などの古典的なプラスチック製造方法を通じて、より複雑な形状を人工的に製造し、測定しようと試みてきました。これらのモデルは航空機の表面に取り付けられ、風洞でテストされます。

△フランス航空宇宙研究所（ONERA）の風洞で航空機の翼の一部がテストされている
研究ツールとしての3Dプリント

NASAはすでに3Dプリンティングを利用して、宇宙ミッション用の化学センサー、ロケットエンジン、ソフトロボットを製造している。今回、同局は氷の形成とそれが航空機に与える影響をより深く理解するための研究ツールとして3Dプリントを活用している。

3D プリントの利点には、着氷を予測するのに役立つコンピューターシミュレーションツールの有効性の向上や、航空機の燃費向上と低価格化などがあります。さらに、高精度データにより、FAA は航空機の着氷管理能力を認証するための要件を調整できるようになります。現在、航空機は古い着氷研究データに基づいて追加の安全マージンを備えて設計されています。この変更により、航空機の安全性が向上し、航空機メーカーの開発コストが削減されます。

3D 着氷研究プロジェクトは、GRC の着氷風洞を使用して 2015 年に開始されました。「このプロジェクトを始めたとき、私たちには氷を3次元で測定し、それを忠実度の高い3Dプリンターで複製する十分な能力がありませんでした」とブローレン氏は語った。「さあ、やりましたよ。」

GRC の着氷風洞内で、チームは 3D レーザースキャナーを使用して、大きな翼部分に形成される氷の形状を測定しました。その後、航空機上の氷の 3D モデルがコンピューターで作成され、操作されました。精密な氷の彫刻はサービスプロバイダーによって 3D プリントされます。

研究は2018年末まで続けられ、フランスのONERAの風洞でテストが行われた。それ以来、研究者たちは技術論文やプレゼンテーションを通じて研究結果をまとめ、改良し、共有してきました。最終データは、5年間の契約が2020年5月31日に正式に終了した際に公表される予定。

△3Dプリンターで生成された複雑な氷の形状の例出典：3dprintingindustry

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