詳細分析 | 極超音速技術分野における 3D プリント技術の応用は何ですか?

3Dプリント技術は、情報技術に支えられ、デジタルモデリング、材料科学、化学などの分野の最先端技術を統合した、複数の現代技術の総合融合であり、「第3次産業革命」の中核技術として知られています。近年、現代技術の急速な発展に伴い、積層造形技術の応用範囲は、各種金属（アルミニウム、チタン、その他合金）、非金属材料（セラミックス系複合材、樹脂系複合材、プラスチックなど）をベースにした大型荷重支持部材（航空機の梁やリブ）、耐高温部品（エンジン燃焼室）にまで拡大し、加工サイクルや製造コストも大幅に向上し、大量生産の要求を満たすことができるようになりました。全体的に、3D プリント技術の成熟度は比較的高いレベルに達しており、エンジニアリングに応用できます。

3Dプリント技術は、従来の製造方法とは異なり、溶解や切断方法でワークピースを準備するのではなく、空間付加方式で成形を実現します。この独自の成形方法により、材料密度が高く、複雑な空間構造の実現性が高いなど、優れた特性が得られます。この特性により、3D プリント技術はいくつかの面で自然な利点を得ています。特に、トポロジー最適化の結果に近い構造部品を準備し、設計と製造の統合融合を実現し、構造効率の高い軽量の耐荷重構造を得るのに適しています。これは、構造重量を重視する航空宇宙、高級自動車製造などの分野で特に重要です。近年、これらの分野における3Dプリンティングのエンジニアリング応用が徐々に広がるにつれて、その技術的な成熟度も大幅に向上しました。

極超音速航空機は、3D プリント技術の最も重要な画期的な方向性の 1 つです。従来の航空宇宙機と比較すると、極超音速機はマッハ5を超える速度で近宇宙/大気圏を長時間連続飛行し、作業環境が過酷です。特に、機体/胴体形状の局所的な空力的よどみ点や衝撃波付着点、空気吸入動力エンジンの空気取り入れ口や燃焼室などの熱環境が特に過酷です。構成材料の耐高温性や構造の機械的特性には高い要求が課せられます。同時に、構成部品の空間形状や重量にも厳しい要求があります。極超音速技術に関連する分野における技術の応用の増加は、極超音速航空機製造のボトルネックを解決する鍵となっています。従来の製造技術では要求を満たせない場合、3Dプリント技術は新たな道を切り開きました。優れた材料特性、特殊な形状の構造、全体的な特性を備えた部品を迅速に準備できるため、極超音速航空機に関連する分野でますます広く使用され、極超音速航空機の一部の特殊部品のボトルネックを解決する唯一の選択肢にもなっています。

本稿では、近年海外で行われている極超音速関連の準備作業から始め、システム・構造・材料などさまざまなレベルでの極超音速技術分野における3Dプリント技術の応用を紹介し、その重要性を分析します。

1. 極超音速サブシステムレベル製品への3Dプリント技術の応用<br /> 米国のオービタルATKは最近、主に3Dプリントを使用して製造された極超音速弾頭のテストに成功した。弾頭開発はオービタルATKの主要事業の一つであり、同社は現在、ミサイル製品部門が策定した弾頭開発プログラムの中で、この50ポンド弾頭の研究開発を行っている。その目的は、極超音速兵器に適した殺傷力強化弾頭（LEO弾頭）を得ることである。弾頭は5つの主要部品で構成されており、そのうち3つは3Dプリント方式で製造されており、その半分以上を占めている。オービタルATKは、超音速ロケットエンジンと従来の弾頭設計・製造におけるこれまでの経験を組み合わせて、高速によって生じる高温やその他の環境に耐えられる弾頭を開発しました。

このタイプの弾頭は、従来の外観とはまったく異なる、複雑な構造構成を持つ特殊な形状の構造を採用しています。 2018年2月初旬に設計作業が開始された後、弾頭研究開発チームは3Dプリントの利点を最大限に活用し、プロセス要件を満たすシンプルな構造設計を採用し、従来のプロセスと比較して準備サイクルを少なくとも1か月半短縮しました。弾頭の設計、準備、テストの全プロセスは60日以内に完了し、代表的な効率的な研究開発を実現しました。

オービタルATKは2018年3月にこのタイプの弾頭の爆発テストを実施しましたが、これは同社にとって3Dプリント技術を使用した弾頭の初めてのテストでもありました。実験中、弾頭は最初の吊り下げ位置から爆発に成功しました。爆発後の破片は地面に突進し、爆発点の周囲に薄い金属片の飛散領域を形成し、さまざまな標的に対する爆発の破壊効果を評価するための独自のデータサポートを提供しました。

このタイプの弾頭は、3Dプリントを主な製造方法として使用する、公開情報で公開された最初の極超音速航空機サブシステム製品であり、その成功した準備とテストは極超音速技術における重要な進歩であり、極超音速の開発におけるマイルストーンです。

図1 オービタルATKの極超音速弾頭爆発テスト
2. 極超音速部品レベル製品への3Dプリント技術の応用<br /> 2016年、オービタルATKは3Dプリント技術を使用して作られた燃焼室の風洞試験を実施しました。このタイプの燃焼室はスクラムジェットエンジン用に設計されており、推進システム全体の中で最も難しいコンポーネントの1つです。スクラムジェットエンジン内部の気流速度は高く、乱気流も激しいため、確実な点火と安定した燃焼を実現することは極めて困難です。燃焼室では、燃焼状態要件を満たすために流路寸法の精密制御が求められ、高速高温気流の洗浄を維持するために十分な壁面摩耗耐性が求められ、継続的な内部高圧下での構造的完全性を確保するために高い構造強度が求められます。アクティブ冷却を備えた燃焼室の場合、構造には小さく狭い冷却ガス/液体流路も必要であり、燃焼室構造はより複雑になります。これらすべてが、スクラムジェットエンジンの燃焼室の加工に高い要求を課しています。たとえ従来のプロセスで生産できたとしても、多数の部品に分解し、加工・成形し、複雑な設備を経て入手する必要があります。そのため、複雑な組み立て寸法チェーンの伝達は、関連部品に非常に高い加工精度が求められることに直結し、加工・組み立てにかかる時間も燃焼室の準備サイクルが比較的長くなります。さらに、多数の部品を組み立てると必然的に質量が増加し、これらの無効な質量によってエンジン全体の有効推力対重量比が低下します。 Orbital ATKのミサイル製品部門の責任者によれば、このタイプの燃焼室の製造は、3Dプリント技術が導入されるまでは数年前まで不可能だったという。

このタイプの燃焼室は、金属粉末を原料とする「パウダーベッドフュージョン」と呼ばれる3Dプリント方法を使用しています。作業中、原料はレーザープリントヘッドに送られ、粉末はプリントヘッドから放射されるレーザーによって急速に加熱されて溶融します。軟化した金属は小さなフィルム状の形状を形成し、その下にある固体ベースに吸着されます。これを複数回繰り返すことで、薄膜を積み重ねて3次元構造を形成できます。各フィルム形成の位置はレーザープリントヘッドによって制御され、最終的に必要な空間3次元構造が形成されます。この準備方法により、燃焼室全体を一度に形成できるため、設計と準備の難易度が大幅に軽減されるだけでなく、燃焼室の全体的な性能も効果的に向上します。

粉末床溶融結合法で達成できる強度をテストするために、このタイプの燃焼室は 2016 年にラングレーテストセンターで 20 日間の風洞テストを受けました。この期間中、複数の極超音速飛行条件がシミュレートされ、燃焼室条件はテスト中に前例のない連続推進時間を達成しました。試験結果によると、このタイプの燃焼室は構造上の欠陥もなく、すべての核実験に合格しました。予想された実験条件を超えた状況でも良好な状態を維持し、設計要件を超えており、この 3D 印刷プロセスの実用性を十分に実証しています。

図2 HRL実験室スクラムジェット燃焼室風洞試験さらに、Reaction Engines（REL）は3Dプリント技術を使用してSabreエンジンスケールモデルの噴射パイプを製造し、準備の難易度を効果的に低減しました。モデルテストピースは、2015年の点火テストで15回の点火に成功しました。ヨーロッパは3Dプリント技術をHEXAFLYプロジェクトに応用し、テストで使用する航空機のスケールド空力モデルをシリーズで作成し、プロセスの難易度と準備サイクルを大幅に短縮しました。空力負荷下での構造変形の程度、構造の完全性、準備コスト、準備サイクルなど、複数の指標を評価した結果、これらのテストピースは極超音速空力テストのニーズを満たすことができると考えられました。 ATK は、EOS M280 3D プリンターを使用して、米国の極超音速空気呼吸兵器プログラム (HAWC) プロジェクトの第 1 フェーズ用の部品を準備しています。米国は2015年に高速打撃兵器（HSSW）プロジェクトの技術成熟プロジェクトの募集を行い、部品の総数を減らし、製造コストを下げ、兵站支援能力を向上させることを目指して、3Dプリント技術を使った部品製造を検討することを明らかにした。

図3 RELのSabreエンジンのスケールテストピース燃料噴射パイプ部品
3. 極超音速材料層製品における3Dプリント技術の応用<br /> 米国空軍研究所（AFRL）は最近、アーノルド空軍基地の実験施設で、3Dプリントされたシリコンオキシカーバイド（SiOC）材料の風洞試験を完了しました。実験に使用された試験片はHRL研究所から提供されたもので、同社の航空宇宙システム部門は2016年に極超音速機に適した材料を提供するためにSiOCの3Dプリントの革新的な方法を提案した。この3Dプリント法は、新開発のプレセラミック樹脂を原料とし、3Dプリントにより固化成形した後、不活性ガス雰囲気中で1000℃近くの高温に加熱することで、材料中の樹脂が完全に反応して完全なセラミック状態を形成し、必要なセラミックス系複合材料を得る方法です。

HRL が開発した SiOC の 3D テクノロジーは、従来のセラミックおよび複合材料の製造における限界を打ち破ります。その中で、セラミック前駆体ポリマーは層ごとに印刷され、既存のデスクトップ3Dリソグラフィーシステム機器を使用して希望の形状に固められており、樹脂材料の実現可能性を確保して、高温治療を通じて高温治療を形成します。従来の焼結方法によって得られたICSは、反応プロセス中に多くの毛穴を持ち、この3D印刷方法は細孔の導入を効果的に回避し、高密度のセラミック材料を取得することができ、それにより硬度、強度、耐摩耗性、耐摩耗性、耐食性、および材料の高温の耐えられた材料の耐えられた程度の環境を抑えます。

このタイプのSiOC材料は優れた性能を有しており、航空機の電力システムや極超音速機の大型部品、電子機器や微小電気機械システムの複雑な部品の要件を満たすことが期待されており、現在AFRLから特別な注目を集めています。 AFRLはこのSiOC材料を使用して熱放射シールドなどの機能部品を準備することを望んでおり、2018年にHRLと共同研究開発-材料移転契約を締結しました。契約では、HRLが15本のSiOC円筒形テストロッド、5本の熱放射シールド、およびその他のテスト部品をAFRLに提供し、材料の評価とテストを行うことが規定されています。

AFRLは、試験片の熱処理、材料分析、機械分析（300～2000℃の熱膨張分析に重点を置く）などの作業を実施しました。また、アーノルド基地では、高エンタルピー装置と連携して材料特性分析を実施しました。実験レポートは2018年3月に完成し、次世代の3DプリントSiOCセラミックスの製造を導くためにHRLに引き渡されました。特筆すべきは、テストプロセス中に、実験条件が予想範囲を超えて引き上げられ、極限環境下でのテストデータが取得され、AFRL と HRL に貴重な資料が提供されたことです。

図4 HRL研究所におけるSiOC試験片の風洞試験
3D プリント製造方法は、等材料製造や減算製造などの従来の方法とは根本的に異なり、創造性と柔軟性に富み、潜在的な用途の範囲が広く、処理サイクルとコンポーネントの完全性の面で大きな利点があります。これにより、3D プリントは、一部の構造/機能部品の製造において大きな可能性を秘めており、一部のコンポーネントの製造では唯一の選択肢ですらあります。これは、材料と構造性能に対する要件が特に厳しい極超音速分野の技術研究開発に特に適しています。近年の 3D プリント技術の急速な発展と広範なエンジニアリング応用により、実行可能なタスクが徐々に多様化し、材料、コンポーネント、サブシステムなどの複数のレベルの製品の応用が実現されました。

3Dプリンティング技術は、部品やコンポーネントの迅速な修理、迅速な大量生産などにおいてかけがえのない利点を発揮し、物流サポート業務に重要な保証を提供することが期待できます。さらに、製造技術の成熟、利用可能な材料の増加、材料と構造の性能の向上に伴い、3D プリンティングはエンジニアリング生産においてますます広く使用されるようになるでしょう。現在、超高温セラミックスや高融点金属材料など、優れた高温性能を持つ一部の材料は、従来の加工方法でしか得られません。これらを3Dプリントで製造できれば、より多くの構造・機能部品の設計要件を満たすことができ、より広く使用されるようになります。特に重要なのは、極超音速航空機の多くの部品が、チタン合金、ニッケル基高温合金、C/C、C/SiCなどの高価または希少な材料で作られる必要があることです。従来の処理では材料の90％以上が切断されるという現実と比較すると、3Dプリントの準備方法は原材料の利用率を大幅に向上させ、高価な材料部品の製造コストを効果的に削減できるだけでなく、希少材料の廃棄も効果的に削減できます。

3Dプリントには、まだ開発と改善が必要な分野がたくさんあることを指摘しておく必要があります。たとえば、既存の設計プログラムには、従来の製造プロセスの機能と凝固モジュールがまだたくさんあります。設計者は従来の考え方に影響を受けており、3Dプリントプロセスに徐々に適応して受け入れる必要があります。現在のマクロ材料物理工学システムと従来の材料性能試験技術は、3Dプリントプロセスに完全に適合しているわけではなく、3Dプリントに使用できる材料はまだほとんどありません。 3Dプリント技術が成熟するにはまだ長い道のりがあり、不利な要因を打破し、より全面的かつ広範な応用を実現し、極超音速航空機に代表されるハイテク産業に重要なサポートを提供するには、長い螺旋状のプロセスを経る必要があります。

出典: 戦術ミサイル技術、2018年第4号

著者: リン・シュビン

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