パデュー大学は、極限条件下での極超音速航空機の性能を向上させるために、新しいダークセラミック3Dプリント技術を開発しました。

2025年2月17日、アンタークティックベアは、パデュー大学応用研究所（PARI）の研究者が、極超音速航空機部品用の複雑な形状にダークセラミック（極超音速飛行の過酷な条件に耐えられる素材）を3Dプリントするプロセスを開発していることを知りました。目標は、これらの部品を大規模に 3D プリントして、効率とパフォーマンスを向上させることです。この研究は、極超音速機部品の効率的かつ高性能な生産を可能にするために国防総省の製造科学技術プログラム局が資金提供している5つのプロジェクトのうちの1つです。

ダークセラミック3Dプリントの技術的難しさを突破

工学部材料工学科の教授であり、PARI の極超音速先進製造技術センター (HAMTC) のセラミック加工の第一人者であるロドニー・トライス氏は、これらの材料を 3D プリント用に強化する取り組みを主導しています。この技術により、複雑なデザインや形状を滑らかな表面とミクロンレベルの精度で印刷することが可能となり、極超音速機の部品にとって極めて重要となります。

しかし、ダークセラミックの3Dプリント技術は簡単ではありません。暗い粉末は紫外線を吸収するため、材料を硬化させるために必要な紫外線が効果的に浸透できず、硬化の深さが制限されます。これは、各コンポーネントの製造に必要な時間に直接影響します。この問題に対処するため、トライス教授、材料工学博士課程の学生マシュー・トンプソン、および HAMTC セラミックス研究エンジニアのディラン・クランプは、硬化の深さを増やすための樹脂システム、表面処理方法、およびその他の技術を調査しています。

「私たちはこれを材料開発のテストベッドとして使用し、材料の特性と表面の修正を継続的に微調整して、パフォーマンスを向上させ、印刷プロセスを最適化しています」とトンプソン氏は説明します。

さらに、印刷される部品のサイズが大きくなるにつれて、後処理段階での課題もそれに応じて増加します。部品が大きいほど、剥離やひび割れなどの問題が発生しやすくなります。その結果、Trice、Thompson、Crump は、これらの潜在的な問題を排除し、部品に損傷を与えることなく小型プリンターから大型プリンターへのスムーズな移行を確実に行えるように取り組んでいます。

「私たちの目標は、生産ラインの設置であれ、新しいシステムを開発する際に時間を節約する戦略を関係者に提供することであれ、解決策を見つけることです」とトンプソン氏は強調した。

△2023年、パデュー大学応用研究所は4100万ドルをかけてキャンパス内に極超音速応用研究施設を開設する予定。
3Dプリントされた実物大スクラムジェットのプロトタイプ

この研究では3Dプリント技術の具体的な応用については詳しく述べられていないが、パデュー大学はこれまでに3Dプリント技術を使った極超音速エンジンのプロトタイプの開発に成功している。

昨年3月、PARIの研究チームは、3Dプリント技術を使用して実物大のスクラムジェットのプロトタイプを開発することに成功したと発表した。このエンジンはマッハ 5 を超える速度での航空機の飛行をサポートでき、航空宇宙製造における 3D プリントの大きな可能性を示しています。

△早ければ2022年にパデュー大学とVelo3Dが極超音速金属部品を印刷
3D プリントプロトタイプの開発は、PARI 超音速先進製造技術センター (HAMTC) の革新的な設計および製造プロセスの恩恵を受けました。 HAMTC の研究者は、GE Additive Manufacturing と協力し、GE Concept Laser X Line 2000R プリンターを使用した大規模な金属製造を実施しました。この高度な 3D プリント技術により、チームはエンジンの高性能機能を維持しながら、複雑な形状で軽量かつ部品点数が少ないエンジン部品を製造することができました。

上記の関連研究は、極超音速航空機部品の製造に革新をもたらすだけでなく、先進製造分野における 3D プリント技術の応用に新たな展望をもたらします。研究が深まるにつれ、関連分野にも大きな影響を与えることが期待されます。

パデュー大学は、極限条件下での極超音速航空機の性能を向上させるために、新しいダークセラミック3Dプリント技術を開発しました。

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