3Dプリントロケットエンジン統合推力室

出典: MM Modern Metal Processing

選択的レーザー溶融法として知られる 3D 印刷プロセスは、金属部品の積層造形に幅広い可能性を提供します。従来の製造方法と比較して、積層造形法で製造された部品の内部構造はより強く、より軽量になります。付加製造のさらなる利点は、複数のコンポーネントを 1 つのコンポーネントに統合できることです。この機能統合と後処理の作業負荷の軽減により、製造プロセス全体で多くのコストを節約できます。 CellCoreは、レーザー選択溶融技術の利点を航空宇宙産業に巧みに応用しました。このロケットエンジンの場合と同様に、SLM Solutionsとの緊密な協力により、ニッケルベースの高温合金を使用した3Dプリントにより、多機能推力室の一体成形に成功しました。

CellCore と SLM Solutions が製造するロケットエンジンは、推力室、燃焼室壁を備えた液体推進剤エンジンコア、燃料入口、および酸化剤入口を備えた噴射ヘッドで構成されています。燃焼室内の化学反応によりガスが生成され、熱の蓄積により膨張し、その後、大きな力で排出されます。したがって、ロケットを推進するために必要な推力は反動を利用して生成されます。燃焼プロセス中、燃焼室内に極めて高い温度が発生するため、燃焼を防ぐために壁を冷却する必要があります。これを実現するために、液体燃料（灯油や水素など）が燃焼室の壁にある冷却ダクトを通って上方に供給され、その後インジェクターヘッドに送り込まれます。そこで燃料は酸化剤と混合され、点火プラグによって点火されます。従来の製造方法では、冷却チャネルはブランクに穴を開け、その後、複数の面倒な作業ステップを経て密閉することによって製造されます。

選択的レーザー溶融を使用する場合、冷却チャネルは設計に直接統合され、同じ製造プロセス中にキャビティ全体と一緒に形成されます。ロケットエンジンは複雑なため、従来の製造プロセスを使用するとコストがかかり面倒なだけでなく、製造プロセス全体に少なくとも半年かかります。 CellCore は、3D プリントされたロケットエンジンで、SLM® テクノロジーが航空宇宙産業にもたらす可能性を実証しました。印刷プロセス全体は 5 営業日未満で完了し、最適化され改善された統合コンポーネントが実現しました。

インジェクターと推力室を組み合わせた統合ロケット推進エンジンは、多数の個別コンポーネントを 1 つに簡素化します。レーザー選択溶融プロセスによってのみ、多機能の統合軽量構造を実現できます。 CellCore が開発した内部構造はロケットエンジン全体に広がっており、従来のプロセスでは製造できません。熱伝達に適しているだけでなく、部品の構造安定性も向上します。この設計の冷却性能は、従来の設計よりも大幅に優れています。たとえば、集中化された直角冷却ダクトは、直角設計の広範な使用と全体的な安定性のバランスを確保し、最適化します。表面反応速度を高めると同時に、電流抵抗も低減し、エンジンの全体的な効率を大幅に向上させます。一方、多くの付加機能が一つに統合され、不要な部品が排除され、軽量設計の利点も加わるため、ロケットエンジン全体の重量は従来の製品よりも大幅に軽量です。

SLM Solutions と CellCore のコラボレーションは、プロジェクトの準備段階から始まり、非常に複雑なコンポーネントの製造を成功させるために、コミュニケーション、確認、最適化を繰り返し行いました。 SLM ソリューションの技術サポートチームは、表面粗さの低減を最適化することに重点を置いて、この特殊な形状のパラメータを開発しました。その後の綿密なコミュニケーションの中で、SLM ソリューションのアプリケーションエンジニアリングチームは、部品の配置について専門的な提案を行い、主要部品の確認とテストを行って、部品のパフォーマンスが最高基準を満たしていることを確認しました。航空宇宙産業の厳しい材料要件を満たすために、最終的に、SLM®280 レーザー選択溶融装置でニッケルベースの高温合金 IN718 を使用してロケットエンジンが製造されました。

IN718 は、700°C での引張強度、疲労強度、クリープ強度、破壊強度に優れた析出硬化型ニッケルクロム合金です。航空機やガスタービン部品、ロケット推進エンジンなど、その他多くの高温用途に重要な材料です。従来の加工技術では、硬い材料の加工が難しく、工具の摩耗も激しくなります。しかし、積層造形技術を使えば、そのような問題を心配する必要はありません。金属粉末は直接溶融され、任意の幾何学的形状に成形されます。

このエンジンは、SLM Solutions の SLM® 280 選択的レーザー溶融機を使用して製造されました。 SLM® 280 プロダクションシリーズは、280 x 280 x 365 mm のビルドチャンバーと特許取得済みのマルチレーザーテクノロジーを備えています。粉末供給システム（PSV）を搭載しており、原料を充填するために粉末ボトルを使用する必要がありません。粉末は機械に投入される前に、統合された超音波ふるい分けシステムによって処理され、大きすぎる粒子や異物が SLM® プロセスに入らないようにします。粉末は保護ガス流を使用して PSV と SLM® マシン間で完全に自動的に輸送されます。印刷ジョブが完了したら、まず粉末を洗浄して回収し、次に部品を基板とともに取り外します。最後に、部品の要件に応じて対応する熱処理とワイヤー切断が実行され、余分なサポート構造が削除されます。

エンジンの構造は複雑ですが、工具の摩耗を極力避けるため、後処理の量は最小限に抑えられています。 SLM® テクノロジーは、高価で時間のかかる製造工程を削減し、ロケットエンジンの構造を簡素化することで、大幅なコスト削減を実現します。選択的レーザー溶融は、ロケットシステムの機能性を高め、軽量設計を活用し、優れた品質要件を維持しながら開発、テスト、生産サイクルを大幅に短縮することで、航空宇宙企業に競争力を向上させる機会を提供します。

CellCore GmbH のマネージングディレクターである Andreas Kruger 氏は、次のように確信しています。

「このコンセプトスタディは、航空宇宙分野やその他の産業における積層造形の大きな可能性を示しています。私たちはSLM®技術の可能性に感銘を受けましたが、SLM®技術によって製造された高精度、高品質、多機能の統合冷却構造を見たときに、この印象はさらに深まりました。私たちは現在、このプロジェクトで実証された原理に取り組んでおり、これは温度制御など、航空機のエンジンやタービン部品に大きな付加価値をもたらすでしょう。」

オールインワンロケットエンジンは EMO 2019 で展示され、SLM の専門家が来場者と SLM® テクノロジーの活用方法について話し合います。