航空宇宙分野における3Dプリンティングのブレークスルーのレビュー

航空宇宙産業は常に国防分野の重要な基幹産業の一つであり、国の総合的な科学技術力の象徴でもあります。 3D プリンティングの出現により、航空宇宙産業は大きく強化され、その発展が加速しました。今後は、高額な研究開発および設計コストに別れを告げ、製品開発から正式な適用までの時間を大幅に節約します。欧米などの先進国では、積層造形技術が徐々に航空宇宙分野の「鋭い剣」となり、航空機エンジン部品の設計・製造、衛星部品の印刷、さらにはドローン、大陸間ミサイル、ロケットなど多くの応用分野で大きな役割を果たしていると報じられている。それでは、航空宇宙分野における積層造形技術の最新動向を追ってみましょう。

本物の航空機エンジン：モナッシュ大学の 3D プリントのブレークスルー!

モナッシュ大学とそのスピンアウト企業であるアマエロ・エンジニアリングが提携し、ジェットエンジン部品を開発し、エアバス、ボーイング、米国の防衛関連企業レイセオンの注目を集めている。この画期的な技術により、エンジニアはこれまで数か月かかっていた航空機部品のテストを数日で行うことができるようになる。

かつて、航空機部品は完成品になるまでに溶解、成形、彫刻などの一連の複雑な工程を経る必要がありましたが、現在では完成品を非常に短時間で作ることができます。 3D プリント技術の真の重要性は、プロトタイプを迅速かつ大量に製造できる点にあります。それだけでなく、従来のエンジニアリング技術では実現不可能な、より複雑な構造の部品をカスタマイズする機能も備えています。その結果、フランスの航空宇宙産業と、サフラン、マイクロターボ、エアバスなどの大手企業が、モナッシュ大学やオーストラリアの企業との協力を競い合っている。この開発は2年前、フランスの航空宇宙企業サフランがレプリカを作ることを望んで、モナシュ大学に古い航空機エンジンをいくつか寄贈したことから始まった。

ロシア、初の3Dプリント立方体衛星を打ち上げる

ロシアは、同国初の3Dプリントキューブサット「トムスク-TPU-120」を国際宇宙ステーションに向けて打ち上げた。 RIAノーボスチ通信によると、これは正方形で寸法が300×100×100 mmの標準的な立方体衛星です。この衛星は研究衛星としての基本機能をすべて備えており、今後6か月間地球を周回する予定です。これは3Dプリント技術を使用して建造された最初の宇宙探査機です。技術のさらなる発展により、最終的にはこれらの小型衛星の大量生産が可能になるでしょう。

宇宙の専門家たちは、CubeSat の潜在能力を最大限に引き出す方法として、すでに 3D プリントに注目しています。今後、キューブ衛星の数が爆発的に増加する可能性が予測されます。衛星の外殻はロシア宇宙庁（ROSCOSMOS）が承認した材料を使用して3Dプリントされたとみられる。その部品のほとんどはプラスチック材料から印刷されています。さらに、バッテリーパックの外殻も酸化ジルコニウムセラミック材料で3Dプリントされており、これも世界初となります。 TPUの科学者によると、セラミックケースの使用は主に宇宙での温度変化からバッテリーを保護するためで、セラミック素材はバッテリーを最適な温度に維持し、それによってバッテリーの寿命を延ばすことができるという。 TPUの衛星の主な任務は、宇宙材料科学における新技術と、大学とそのパートナーによる一連の開発成果をテストすることであると伝えられている。

さらに、3Dプリント衛星の内部には、回路基板、筐体、バッテリー、電子データなどの温度を記録するためのさまざまなセンサーが設置されています。このデータはリアルタイムで地球に送信されます。地上の科学者たちは材料の状態を分析し、将来の宇宙船で使用するかどうかを決定する予定だ。 2016年5月にTPUが創立120周年を迎えたことは特筆に値します。この機会を祝うために、学校の生徒たちは10の言語で挨拶を特別に録音し、衛星を通じて地球の住民に送信しました。これらの10の言語は、ロシア語、英語、ドイツ語、フランス語、中国語、アラビア語、タタール語、ヒンディー語、カザフ語、ポルトガル語です。挨拶信号は437.025MHzの周波数で1分に1回放送されます。

世界初の3Dプリントアルミ製FPVレーシングドローンは時速90マイルに達することができる

ドローン技術がますます普及するにつれ、誰がより速く飛べるかを競うドローンレースという興味深いアクティビティも生まれ始めています。今年1月、ドイツ・ベルリンのスタートアップ企業「アロー・ドロン」が、3Dプリントした部品を使ってFPV（一人称視点）レース用ドローンのシリーズを製作した。このドローンの最速は時速150キロに達すると言われている。

つい最近、別のオーストラリア企業であるフュージョン・イメージング社は、有名なオンライン3Dプリントサービスプラットフォーム「シェイプウェイズ」の協力を得て、アルミニウム素材を使用して時速約90マイル（144キロメートル）の速度で飛行できるドローンを3Dプリントした。速度表示では若干劣るものの、同社の設計者らは、このドローンはアルミニウム素材から直接印刷されていると語った。ご存知のとおり、アルミニウムは航空分野で非常に人気のある金属素材です。プラスチックと同じくらい軽量ですが、はるかに強度があります。 Shapeways は、この製造において、アルミニウム粉末をレーザーで層ごとに溶かす直接金属レーザー溶融法 (DMLS) を採用したと理解されています。そのため、このドローンの機械的指標は、通常の 3D プリント ドローンよりも高くなっています。

この強力なドローンは、Lumenier 2206 モーターによって電力を出力しており、3D プリントされたアルミニウム アームは非常に軽量で、配線とバッテリーを保護すると同時に優れた放熱性も実現しています。アルミニウムは振動を吸収するのに非常に優れています。ある意味、カーボンファイバーよりも優れています。高速移動時には、プロペラの渦の発生が大幅に減少します。アルミニウム素材を使用した軽量、高強度、耐高温の機体フレームにより、ドローンは最初のテスト飛行で時速90マイルの速度に到達できました。明らかに、少し改良した後でも、まだ改善の余地はたくさん残っています。これは Fusion Imaging チームにとって励みとなりました。

ロッキード、大陸間ミサイル用3Dプリント部品のテストに成功

最近、軍事大手のロッキード・マーティンは、2016年3月14日から16日にかけて、同社初の弾道ミサイル用3Dプリント部品の試験発射を実施したと発表した。この試験発射では、合計3発のトライデントII D5艦隊弾道ミサイルが使用され、大西洋下の戦略原子力潜水艦から発射された。今回テストした3Dプリント部品は「コネクタバックシェル」で、基本的にはケーブルコネクタに取り付けられ、損傷や偶発的な切断から保護します。

幅がわずか1インチ（2.5cm）のこのコネクタバックシェルを3Dプリントする際、3Dプリンターはまずプリントベッドに薄いアルミニウム合金粉末の層を敷き、次にコンピューターの指示に従って高温レーザーまたは電子ビームで指定された領域の粉末を溶かします。次に機械は別の粉末の層を敷きます。このプロセスは、3Dオブジェクトが印刷されるまで繰り返されます。この後、余分な粉を吹き飛ばし、滑らかにし、磨き上げるだけです。ロッキードは、3Dプリント技術により、従来の方法に比べて材料の無駄を減らし、生産サイクルを半分に短縮できると主張している。

3DプリントされたアトラスVロケットが打ち上げに成功

3月25日、アトラスVロケットが有名なケープカナベラルから打ち上げられました。この打ち上げミッションは、数十億ドルの費用がかかるシグナス宇宙船ともう1台の宇宙3Dプリンターを搭載して国際宇宙ステーションに送り込むため、数日前に数え切れないほどの人々の注目を集めた。しかし、それ以上に、ロケット自体も注目に値するもので、一連の 3D プリント部品が搭載されており、これらの部品がプラスチックで作られていることにも注目すべきです。

これらの3Dプリント部品は、ロケットのペイロードフェアリング内の配管システムに属し、ブラケット、ノズル、パネルなどの構造を含み、打ち上げ時に数千度の高温に耐える必要がないことが分かっています。これらのロケット部品はすべて、3Dプリント大手ストラタシス社の大型3DプリンターFortus 900mcを使用して、熱可塑性プラスチックULTEM 9085を使用してユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）によって製造されました。この材料は高温での機械的特性が強いため、ロケット打ち上げ時の過酷な環境にも耐えることができます。

ULAは、従来の製造プロセスが使用されなかった理由は、3Dプリント技術がより安価で、より高速で、より柔軟性が高いためだと述べた。また、これらの部品はもともと金属製でしたが、これをULTEMに置き換えることでロケットの重量を大幅に軽減することができます。数字で見るとわずかな量ですが、年間100万ドルものコストを節約できることになります。 3D プリンティングが航空宇宙産業で再び重要な役割を果たしていることは素晴らしいことです。 NASA、ESA、SpaceXなどの他の大手航空宇宙機関が3Dプリント技術を積極的に採用していること、および3Dプリント業界全体の開発速度が極めて速いことを考慮すると、人類の航空宇宙産業は新たな発展のピークを迎えることになるかもしれません。

エアバスの3Dプリント燃料ノズルが正式に使用開始

これは3Dプリントの歴史における画期的な出来事です。今月初め、欧州の航空機メーカーであるエアバスは、次世代のエアバスA320neo旅客機向けにLEAP-1Aエンジンを受け取りました。これにより、航空機エンジンに3Dプリントされた合金燃料ノズルが正式に使用されることになります。 LEAP-1A エンジンの 3D プリント部品の最も注目すべき特徴は、炭素排出量を削減すると同時に、燃料を約 15 パーセント節約できることです。エンジン自体は CFM International によって開発されました。

エアバスが航空機に3Dプリント部品を使用するのは今回が初めてではない。1年前、同社はA350 XWBにストラタシス製の3Dプリント部品が1,000個以上使用されていることを明らかにしたが、今回はエアバスが商用飛行に公式に使用した最も革新的なエンジンだ。 3D プリントされた合金燃料ノズルを使用することで、さまざまな耐熱セラミック複合部品を使用する LEAP-1A エンジンは 15 パーセント以上の燃料を節約でき、他の CFM エンジンよりも効率的になります。同時に、他の航空機エンジンに比べてエンジン騒音と有害な排出物が少なくなります。

エンジン自体は納品され、徹底的にテストされています。最初のテスト飛行は2015年にエアバスA320neoを使用して行われ、その後2015年9月と2016年2月にも数回のテスト飛行が行われたと理解されています。現在までに、3機の航空機は285回以上の飛行と800時間以上の飛行試験を完了している。開発元であるCFMインターナショナルは、スネクマ（サフラン）とGEの合弁会社です。現在、50社以上がCFMから総額1,450億ドル以上のエンジンを購入しており、LEAP-1Aエンジンは主に単通路旅客機に使用されています。これは現在までに最大かつ最も急速に成長している航空市場の一つであり、エアバスによれば、2,034機の新しい旅客機がLEAP-1Aを搭載すると予想されている。したがって、LEAP-1A エンジンは将来の航空産業市場において大きな成長の可能性を秘めています。

出典: 3Dプリンティングネットワーク