パデュー大学が3Dプリント技術を革新：ダークセラミックが極超音速機の開発に役立つ

2025年2月、アンタークティックベアは、パデュー大学応用研究所（PARI）の研究チームが3Dプリント技術を通じて、暗色のセラミックを極超音速航空機に必要な複雑な部品に変える新しい方法を研究していることを知りました。この素材は、高温や過酷な環境に対する優れた耐性を備えているため理想的と考えられており、同社の目標は、これらの部品の大規模な 3D プリントを可能にし、効率と性能を大幅に向上させることです。

△研究者らはるつぼを箱型炉に入れ、3Dプリントしたセラミックサンプルを加熱して結合剤を除去した。

ロドニー・トライス教授は工学部の材料工学科に所属し、PARI 極超音速先進製造技術センター (HAMTC) のセラミック加工のリーダーです。彼と彼のチームは、これらの材料を積層製造（AM）に使用するために改良することに取り組んでいます。「ダークセラミックは、極度の大気条件に対してより頑丈で耐久性があるため、極超音速機での使用に特に適しています」とトライス氏は指摘した。

これを実現するために、彼らは HAMTC の最先端のデジタル光処理 (DLP) 3D プリンターを使用しました。「この技術を使うと、極めて滑らかな表面とミクロンレベルの精度を持つデザインを作成することができ、極超音速機の製造に不可欠な尖った円錐や半球形など、さまざまな複雑な形状をうまく印刷することができます」とトライス氏は説明した。

ダークセラミック<br /> ダークセラミックは特殊な物理的および化学的特性を持つ高度なセラミック材料であり、その色は通常、使用される原材料または添加物から生じます。これらのセラミック材料が暗い色調をしているのは、主に、光を反射するのではなく吸収する特定の金属酸化物やその他の化合物などの成分が含まれているためです。

ダークセラミックスの特性●耐高温性: ダークセラミックスは、非常に高い温度でも軟化したり分解したりすることなく安定した状態を保つ傾向があります。そのため、極超音速機の外板やエンジン部品など、過酷な環境での用途に最適です。

●高い機械的強度:このタイプのセラミックは、優れた硬度と圧縮抵抗を持ち、大きな力にも耐えることができ、簡単に損傷しないため、高強度材料を必要とする用途に非常に役立ちます。

●優れた耐摩耗性と耐腐食性: 化学的に不活性であるため、ダークセラミックはほとんどの酸やアルカリ溶液に対して優れた耐性があり、摩耗しにくいため、長期間にわたって過酷な環境にさらされる部品の製造に適しています。

●優れた熱安定性:ダークセラミックは高温に耐えられるだけでなく、優れた熱安定性、つまり温度変化時の寸法変化が小さいことも示しており、これは精密機器にとって特に重要です。

●電磁気特性:一部の暗色セラミックは特殊な電気的または磁気的特性も備えており、電子機器の特定の部品の製造に使用できます。

課題の克服: ダークセラミックスと 3D プリント<br /> しかし、ダークセラミックを 3D プリントするのは簡単な作業ではありません。大きな課題は、暗い色のセラミックが紫外線の吸収と散乱プロセスに影響を与えるのに対し、酸化アルミニウムなどの明るい色のセラミックは光をよく反射し、各層を素早く硬化させることです。対照的に、暗い色のセラミックは多くの光を吸収し、硬化しにくくなります。「暗い色の粉末は硬化プロセスに必要な紫外線を吸収するため、十分な層の厚さを作るのが困難です」とトライス氏は言う。「つまり、硬化の深さが薄すぎて、各部品の製造時間が大幅に長くなるのです。」

この問題に対処するため、材料工学の博士課程の学生であるマシュー・トンプソン氏と、HAMTC のセラミック研究エンジニアであるディラン・クランプ氏は、Trice と緊密に協力して、硬化の深さを増やす可能性のある樹脂システム、表面処理、その他の方法を調査しました。「私たちは、材料の性能を向上させ、印刷プロセス全体を最適化するために、特性を微調整し、表面改質を常に行っています」とトンプソン氏は語った。

△極超音速先進製造技術センター（HAMTC）：パデュー大学は、業界パートナーに材料と製造の革新に関する研究のための単一の場所を提供します。 HAMTC は Purdue にテスト機能を提供し、プロトタイプ開発の時間とコストを削減し、学術的関与を通じてイノベーションを実現します。

品質の確保: 研究室から生産ラインまで<br /> さらに、チームは、後処理段階で発生する可能性のある問題、特に印刷された部品のサイズが大きくなるにつれて、剥離やひび割れのリスクも高まる問題に対処するために取り組んでいます。彼らは、小型プリンターから大型プリンターへの移行によって、これらの問題により部品の品質が損なわれないようにしたいと考えていました。トンプソン氏はさらに次のように付け加えた。「私たちは、これらの部品を製造するための効率的な生産ラインを構築するか、関係者が使用できる実用的な方法を模索するかのいずれかの方法で解決策を見つけようとしています。そうすることで、人々に良い出発点を提供し、新しいシステムの開発にかかる時間を節約することができます。」

この研究は、海軍水上戦闘センター、クレーン部門、および国家安全保障技術アクセラレーターの戦略およびスペクトル任務向け高度耐障害性信頼システムと緊密に協力して、資金提供を受けた 5 つのプロジェクトの 1 つとして、国防総省製造科学技術プログラムオフィスによって支援されました。こうした協力を通じて、科学技術の進歩が促進されただけでなく、国家安全保障にも大きな貢献を果たす可能性がある。

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