航空宇宙製造における 3D プリントのアプリケーションはどのようにして進化し続けるのでしょうか?

航空宇宙製造業にとって、3D プリントは航空宇宙の翼のようなもので、科学者がより高く、より簡単に、より安全に、より遠くまで飛びたいという願望を実現するのに役立ちます。ビデオに登場するラウル・ポリット・カシージャス氏にとって、航空宇宙製造における 3D プリントの応用は、想像力と創造性を常に超越するプロセスです。

軽量構造の先へ進む<br /> ハニカム構造であれ、格子構造であれ、これらは 3D プリント技術を通じて航空宇宙分野に応用されるのが適切です。格子構造を例に挙げてみましょう。この材料は軽量、高強度対重量比、高比剛性を特徴としています。また、さまざまな熱力学的特性をもたらします。格子構造の超軽量構造は、耐衝撃/爆発システム、または放熱媒体、音響振動、マイクロ波吸収構造、駆動システムとしての使用に適しています。格子構造材料の主な応用分野の一つは宇宙探査であり、そこでは使用される材料に高い強度、剛性、耐腐食性が求められます。

理論的には、3D プリントの製造コストはデザインの複雑さに左右されません。しかし、ドット構造の 3D プリントとなると、クリックして印刷するだけの単純なものではなく、豊富なアプリケーション経験を必要とする難しいプロセスです。モデリングだけではありません。デザインが複雑になると、製造上の課題はさらに大きくなります。特にチタン合金などの材料は、大きな残留応力が生じる可能性があります。そのため、1 つの層を構築した後、次の層に使用する材料が硬くなりすぎないように注意する必要があります。塗装が硬すぎると、残留応力による熱変形によって格子の微細構造がさらに破壊されやすくなり、新しく構築された構造が破壊される可能性があります。

この点、欧州最大の衛星メーカーであるタレス・アレニア・スペースの衛星にラティス金属構造を適用しているのは、同社だけではない。中国航空宇宙科学技術公司第五科学院総部は、格子構造セルの性能研究において、三次元格子のセル形態の特徴と三次元格子の宇宙船構造における実際の応用に基づいて、三次元格子構造セルの表現規格を提案した。すなわち、三次元格子構造セルの設計情報は、セルが占める空間とセルロッドの直径の組み合わせで表現される。膨大な実験データと体系的な研究方法により、中国航空宇宙科学技術公司第五科学院総部は、3Dプリント分野で西洋の航空宇宙技術と競争できる競争力を獲得しました。

さらに先へ: 小型衛星<br /> 3D プリントなどのより高度な製造技術の開発により、衛星が小型化する傾向はすでにあります。衛星技術とアプリケーションの継続的な発展に伴い、衛星のコストとリスクの削減を求めながら、衛星の開発と研究のサイクルを加速することが急務となっています。特に、単一ミッション専用の衛星や衛星ネットワークには、少ない投資で迅速な成果が得られる衛星技術が必要です。小型衛星技術が誕生しました。

写真：NASAが開発した小型衛星中国では、中国航空宇宙科学技術公司第五学院総部が3Dプリントによる3次元小型衛星のレイアウトを積極的に進めている。金属から高性能材料への移行は現在、航空宇宙市場の大きなトレンドとなっている。

3D プリントするのは小型衛星だけではありません。市場調査によると、NASA は完全な 3D プリントによる画像望遠鏡の開発にも取り組んでいます。この 3D プリント手法は、太陽系外惑星の画像化に革命をもたらす可能性があります。光学的な自由曲面が重要になります。一方では、望遠鏡の視野が広くなり、限られたサイズのパッケージングに適しています。たとえば、人気の小型衛星やキューブ衛星に使用でき、宇宙船のスペースをさらに節約できます。

超える：複合材料で性能の組み合わせを実現<br /> この点に関して、NASA のジェット推進研究所は、複数の金属や合金をハイブリッド印刷できる 3D 印刷技術を開発しました。この技術は、宇宙船部品の製造における長年の大きな問題を解決できるでしょう。たとえば、部品の片側は耐高温性、もう片側は低密度である必要がある場合や、部品の片側のみが磁性である場合もあります。これまで、このような部品を製造する唯一の方法は、まず異なる部品を別々に製造し、その後それらを溶接する溶接を使用することでした。しかし、溶接部は本来欠陥があり脆くなりやすく、高強度の圧力によって部品が簡単に崩壊する可能性があります。 NASAは、航空機の製造を容易にするために、さまざまな金属粉末と互換性のある新しい技術を実現する標準的な3D印刷プロセスに取り組んでいます。この技術の助けにより、材料の組成を継続的に変化させることができます。

Go Beyondの統合構造により、複数の機能の統合を実現<br /> 金属 3D プリントでは、従来の方法では実現できない極端に薄い壁、鋭角な角、張り出し、円筒などの形状の部品を印刷できるため、製品設計者に自由度が広がります。航空機の複雑な部品を設計する際、設計者は部品の製造可能性に重点を置くのではなく、付加的な設計思考に基づいて部品の機能性を実現することに重点を置くようになりました。燃料インジェクターを例に挙げてみましょう。従来の製造技術の限界により、従来の燃料インジェクターは 3 つの部品を溶接で組み合わせたものでした。溶接の欠陥を回避できないだけでなく、燃料インジェクターの重量も増加していました。金属 3D プリント技術を使用して燃料インジェクターを製造することで、設計者は燃料インジェクターの設計を統合部品に最適化することができ、部品自体の軽量化と性能向上に役立ちます。ラウル・ポリット・カシージャス氏がビデオで説明しているように、統合構造により従来の組み立て作業は不要になります。

画像: NASA の統合構造部品Go Beyond の複雑な構造がメタマテリアルの性能を実現
2017年、NASAジェット推進研究所（JPL）は、最新の3Dプリント技術である金属製の「宇宙用ファブリック」を発表しました。 3D プリントされた金属繊維: 強度があり、折り畳み可能で、反射性があり、耐熱性も高いため、将来の宇宙飛行士の宇宙服や宇宙船の遮蔽材や断熱材の製造に使用できます。

画像: NASA の Raul Polit-Casillas チームが開発した金属織物素材この革新的な 3D プリント金属素材は、ジェット推進研究所のシステムエンジニアのグループに属する、ビデオに映っている Raul Polit-Casillas 氏が率いるチームによって開発されました。Raul 氏は母親がファッションデザイナーであるため、繊維や織物に囲まれて育ちました。おそらく、このような生い立ちが、金属布を 3D プリントするという発想を彼に与えたのでしょう。この発見は、NASA や宇宙探査に多くの興味深い応用をもたらす可能性があります。この素材は銀色の金網の布地の正方形に似ており、積層造形プロセスを使用して作成されます。つまり、実際にこれらの金属「布地」を「織る」必要はなく、代わりに 3D 印刷技術を使用してこの布地の感触を一度に作成します。実際、ラウルは生地を作るプロセスを 4D プリントと呼んでいます。

3D プリントされた宇宙用ファブリックには現在、反射性、折り畳み性、引張強度、受動的な熱管理という4 つの主な機能があります。後者は重要な特徴で、生地の片面は光の反射に使用され、もう片面は熱を吸収します。折りたたみ機能は、素材が体の動きの弧に簡単に適応できることを意味するため、重要です。

出典: 3Dサイエンスバレー

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