フラウンホーファーILTは、持続可能な航空宇宙製造をサポートするために、ゼロエミッション水素エンジンの3Dプリントを研究しています。

2024年10月18日、Antarctic Bearは、フラウンホーファーレーザー技術研究所（ILT）が3Dプリント技術を使用して航空宇宙製造業界の持続可能性を向上させることに取り組んでいることを知りました。ドイツのアーヘンに拠点を置くこの研究所は、付加製造技術を活用して航空宇宙企業がEUの持続可能性規制を満たすのを支援している。
たとえば、フラウンホーファーILTは、ゼロエミッションの水素ロケットエンジンをサポートするために、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）3Dプリント用の金属粉末を開発しています。これらの材料は、資源効率が高く、気候に優しい航空技術とイノベーション (TRIKA) プログラムを通じて開発され、水素推進システムに対する業界の厳しい要件を満たす軽量エンジン部品の製造に役立ちます。
研究者らは、航空宇宙用途における LPBF 3D プリンティングの環境的およびコスト上の利点を判断するために、ライフサイクルアセスメント (LCA) も実施しています。フラウンホーファーILTのレーザー粉末床融合部門の責任者であるティム・ランチュ博士は、これらの評価は製造の持続可能性を判断する上で「不可欠」であると述べています。
さらに、フラウンホーファーは、レーザー材料堆積（LMD） 3Dプリンティングを使用して、ロケット部品をより効率的かつ正確に製造するプロセスに取り組んでいます。このプロジェクトは、2025年10月までにロケットノズルを3Dプリントし、欧州宇宙機関（ESA）のアリアン計画用の実物大のデモンストレーターを構築することを目指している。これらの部品を製造するために金属積層造形法を使用すると、コストを削減し、製造時間を短縮できると言われています。
△アリアン5ロケットの打ち上げに成功。写真提供：Fraunhofer ILT。
ゼロエミッション水素エンジン<br /> 欧州連合のReFuelEU航空規制では、1990年レベルと比較して2050年までにCO2排出量を60%削減することを求めています。さらに、新しい欧州宇宙法（EUSL）には、宇宙の持続可能性に関する新しい規則が含まれます。
これらの厳しい期限を満たすために、Fraunhofer ILT は LPBF 3D プリントの価値を指摘しました。研究者らは、航空宇宙用途に最適化された軽量で複雑かつ高強度の部品を生産する能力を強調した。
ドイツ連邦経済気候対策省が主導するTIRIKAイニシアチブは、航空業界におけるゼロエミッションエネルギー源として水素を推進することを目指しています。このプロジェクトを通じて、フラウンホーファーILTは材料メーカーと協力して、水素エンジン部品の3Dプリントに適したアルミニウム合金粉末を製造しています。研究者らは、LPBF プロセスを市販の材料に適用し、エンジン製造での使用を検証しました。
フラウンホーファーILTの研究者ルーク・シュラー氏によると、同チームの3Dプリントプロセスは、99.5%を超える相対部品密度と、100 cm 3 /hを超える構築速度を達成できるという。重要なのは、特別に開発された 3D プリント粉末が、高圧および高温下で脆化や疲労を引き起こす可能性がある水素に対して耐性があることです。 3D プリンティングは、鋳造や鍛造などの従来のプロセスでは実現不可能な複雑な形状や機能構造を作り出すこともできると言われています。
△ルーク・シューラー。写真提供：Fraunhofer ILT。
3D プリントはより持続可能でしょうか?
Fraunhofer ILT は、従来の製造技術を使用して製造された部品と比較して、3D プリントされた航空宇宙部品の持続可能性を判断するためにライフサイクル評価を実施しました。ここで、チームは原材料の調達、生産、使用、リサイクルを含むコンポーネントのライフサイクル全体を評価しました。
LCA データにより、研究者は新製品の発売プロセスをより迅速かつ効率的に設計できるようになると報告されています。また、生産プロセスにおける品質、コスト、エネルギー、リソースの消費を評価するのにも役立ちます。最後に、LCA は航空宇宙生産の透明性を高めます。
フラウンホーファーILTのLCA分析によると、LPBF 3Dプリンティングは大量のエネルギーを消費しますが、その環境への影響は従来の方法よりも「大幅に小さい」とのことです。
特に、部品の製造に必要な正確な量の材料のみを使用することで、製造プロセス中の材料の無駄を最小限に抑えます。より軽量な部品を製造できるようになると、航空宇宙部品の燃料消費も削減され、製品ライフサイクル全体の環境への影響がさらに軽減されます。
3D プリントによる持続可能な宇宙ロケット<br /> フラウンホーファーILTの3Dプリント機能は、EUのENLIGHTEN（低コストで革新的かつ環境に優しい高推力エンジンのための欧州イニシアチブ）プロジェクトで重要な役割を果たしていると報じられている。
2022年に打ち上げられるENLIGHTENは、バイオメタンとグリーン水素を動力源とする、手頃な価格で環境に優しいロケットエンジンの開発を目指しています。目標は、これらのエンジンを使用して、ESA の Arianespace プログラムの再利用可能なロケットに動力を供給することです。
このプロジェクトを通じて、フラウンホーファーILTの積層造形および修復LMDグループは、LMD 3Dプリントを使用してロケットを製造する取り組みを行っています。フラウンホーファーILTの付加製造および修理担当LMDグループの責任者であるミンウ・コ氏は、LMDによって「新しいロケットノズルの製造速度とコスト効率」が大幅に向上したと主張している。
研究チームの 3D プリント設計は、他の製造方法では製造するのがはるかに難しい、繊細な薄壁の冷却チャネルを特徴としています。また、従来の製造方法では、最終部品の納品までに数か月かかることもあり、時間と費用のかかるプロセスチェーンになることもあると報告されています。このプロセスは、ローカル積層造形を使用することで大幅に短縮できます。
最終的に、チームは、大量生産をサポートするために、品質保証を含む信頼性の高い、管理された LMD 製造プロセスを確立したいと考えています。センサーを使用して 3D プリントプロセス全体を監視するオンラインシステムを採用します。プロセスの異常を検出して修正し、部品の一貫した品質を確保すると報告されています。
ミンウ・コ氏は次のように付け加えた。「私たちの研究結果により、航空宇宙産業のサプライヤーである業界は、将来、LMDを介して自社のシステムで同様に大きく複雑で繊細な構造物を生産できるようになります。」
△フラウンホーファーILTの積層造形および修復LMDチームの責任者、ミン・ウコ氏。写真提供：Fraunhofer ILT。
航空宇宙産業における積層造形の応用<br /> 航空宇宙および宇宙用途における積層造形の採用は加速し続けています。イーロン・マスク氏のロケット会社SpaceXは最近、カリフォルニアに拠点を置く金属積層造形会社Velo3Dから金属3Dプリンターのライセンスを取得することに合意した。
SpaceXは、SpaceXに3Dプリンターを提供するという以前の契約に基づき、Velo3Dの付加製造能力へのアクセスに対して500万ドルを支払うことに同意した。付加製造はこれまで、SpaceXのRaptorエンジンの製造に使用されており、部品の統合と設計の最適化に重要な役割を果たしたと報告されている。マスク氏は自社が「最先端の3D金属印刷技術」を持っていると主張している。
さらに、韓国の産業用3DプリントソリューションプロバイダーであるInssTekは、韓国航空宇宙研究院（KARI）と協力し、3トンのマルチマテリアルロケットノズルとロケットノズル延長部を開発しました。
このロケットは、指向性エネルギー堆積法（DED）3Dプリント技術を使用して製造され、内側部分はアルミニウム青銅（銅合金）、外側部分はインコネル625（ニッケルベースの耐熱合金）で作られています。ロケットノズル延長部は、ニオブ合金 C-103 を使用して 3D プリントされています。付加製造は、部品に必要な効率性と信頼性を実現する複雑な構造と機能を作成するために不可欠であると言われています。

フラウンホーファーILTは、持続可能な航空宇宙製造をサポートするために、ゼロエミッション水素エンジンの3Dプリントを研究しています。

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