ニコンSLMソリューションズ、NASA GRCOP-42銅合金用の新しい材料パラメータを開発

2023年12月12日、Antarctic Bearは、金属3DプリンターメーカーのNikon SLM SolutionsがNASAのGRCop-42銅合金用の新しい材料パラメータを作成したことを知りました。これらのパラメータは、航空宇宙産業からの GRCop-42 に対する需要の高まりに対応するために開発されました。 SLM ソリューションは、この既成のソリューションによって粉末供給の課題が軽減され、サービスプロバイダーが Nikon SLM 3D プリンターで宇宙コンポーネントを 3D プリントできるようになることを期待しています。
材料パラメータはスケーラビリティを考慮して設計され、NXG XII 600 などの大型 3D プリンター向けに最適化されています。また、新しいパラメータにより、3D プリンターのビルド領域の単一レーザーと複数レーザーのオーバーラップ領域の両方で、99.97 パーセントの密度と安定した特性も実現できると報告されています。
「この開発作業は、ニコンSLMソリューションがGRCop-42向けのソリューションを提供するというコミットメントを示しており、宇宙産業でのより広範な採用への道を開くものです」と同社は最近公開したケーススタディで述べています。「ニコンSLMソリューションは、サプライチェーンのタイムラインを短縮し、将来の宇宙プロジェクトの見通しを改善できます。これらの結果とSLMのオープンアーキテクチャを組み合わせることで、パラメータ設定をNXG XII 600やNXG XII 600Eなどのビルド高さ1.5メートルの大型プラットフォームに拡張できます。」
△SLMSolutions NXG XII 600 3Dプリンター。画像提供：SLM Solutions
NASAのGRCop-42物質
GRCop-42銅合金材料は、2019年にアラバマ州にあるNASAのマーシャル宇宙飛行センター（MSFC）とオハイオ州にあるNASAのグレン研究センター（GRC）のチームによって開発されました。
銅・クロム・ニオブ材料は、NASA の幅広い GRCop 合金ファミリーの一部であり、高い熱伝導性と強度を備えています。この合金は急速な熱放散を実現するように設計されており、熱安定性とクリープ耐性が求められる液体ロケットエンジンの製造に最適化されています。
ロケットエンジンメーカーの Pangea Aerospace と積層造形エンジニアリング会社の AENIUM は、これまで GRCop-42 を使用して 3D プリント推進システムの開発と工業化に協力してきました。両社は、銅合金材料の特性を活用して、PANGEA Aerospike エンジンを、完全に機能し、経済的に実現可能で、時間を節約できる方法で製造することに取り組んでいます。
Nikon SLM は、GRCop-42 用の独自の 3D 印刷プロセスを開発した最初の企業ではありません。 2021年、航空宇宙向け積層造形サービスプロバイダーのSintaviaは、NASAが開発した銅合金向けに独自の3Dプリントパラメータと熱処理後処理手順を開発しました。
Sintavia の GRCop-42 3D 印刷パラメータセットは、ミュンヘンに拠点を置く 3D プリンターメーカー EOS の M400-4 3D プリンターで開発されました。これらのパラメータにより、少なくとも 99.94% の密度を持つ部品が生成され、最小引張強度 28.3 ksi、最小極限降伏強度 52.7 ksi、最小伸び 32.4% が実現されると報告されています。
△ EOS M400-4 3Dプリンターを使用して銅部品を3Dプリントします。写真提供：Sintavia。
増大する需要に応えるためにGRCop-42を最適化
材料パラメータの開発プロセス中、GRCop-42 粉末の供給は、Nikon SLM Solutions の世界的な生産パートナーによって確保されました。ここで粉末の品質が指定され、各バッチの品質は社内で選別されます。
同社は、初期の開発プロセス中に 2 台の SLM 280 2.0 700W 3D プリンターを使用しました。これらの新しいパラメータは、市場に出回っている他のレーザー粉末ベッド融合 (L-PBF) 3D プリンターと同等かそれ以上の結果をもたらすと言われています。
小さな部品から大きなアセンブリまでのスケーラビリティは、3D プリントパラメータの開発中に課題となることがよくあります。この問題に対処するため、ニコン SLM はレーザー充填パラメータ、境界輪郭、上部および下部スキンパラメータを研究し、最適な表面粗さを実現しました。
次に、最適なパラメータを選択し、露出度の高い領域を構築してテストし、構築プラットフォーム全体の堅牢性を評価しました。その後、Nikon SLM チームはパラメータリリース候補を作成し、さまざまな方法論を使用してテストした後、一連の認定作業を実施しました。これらの 3D 印刷ジョブは、3D 印刷プラットフォーム全体と複数のビルドの統計的な機械的特性データを収集するために実行されました。
△SLM280 2.0 3Dプリンター。写真提供：SLMソリューションズ
パラメータリリース候補は、高露出 3D プリントの予想される機械的特性の現実的な見方を表します。これらの特性には、垂直に機械加工された部品の 290 MPa の降伏強度、535 MPa の極限引張強度、および破断後の伸び 22% が含まれます。水平方向に加工された部品は、降伏強度が 340 MPa、極限引張強度が 545 MPa、破断後の伸びが 21% です。同社によれば、薄壁や厚壁の大型部品や、熱間静水圧プレス（HIP）処理された部品は、これらの値を大幅に上回る可能性があるという。
スケーリング係数とビーム補正値の調整は、パラメータ開発プロセスの重要な部分であると言われています。 Nikon SLMSolutions は、これらのパラメータが高精度の 3D プリント部品の鍵となると述べています。
同社は、パラメトリック開発アプローチには、スケーリングとビーム補正に必要な調整が含まれていると主張している。これらは、さまざまなサイズと形状のテスト成果物を含む部品について検証され、標準化されたと報告されています。
今後、ニコン SLM ソリューションは、HIP 後処理が機械的特性に与える影響の評価、NXG XII 600 への後処理パラメータの拡張性、大型部品のパラメータ最適化に取り組んでいきます。
△水平/垂直ストレッチバーを含むリリース候補パラメータをテストするためのジョブをビルドします。写真提供：ニコンSLMソリューションズ
3D プリント宇宙コンポーネント<br /> 宇宙部品の製造における金属積層造形の採用は間違いなく増加しています。今年初め、NASAはRAMFIREプロジェクトの一環として、新しいロケットエンジンノズルの3Dプリントとテストに成功したと発表した。
NASAのエンジニアは、材料開発会社Elementum3Dと協力して新しいRAMFIREノズルを開発しました。 2つのパートナーが、ロケットエンジンに必要な耐熱性を備えた溶接可能なアルミニウムを開発した。 NASA によれば、この新しい RAMFIRE ロケットエンジンノズルは従来のノズルよりも軽量で、より重いペイロードを積んで深宇宙ミッションを実行できるとのことです。
さらに、3D プリンターメーカー EOS のドイツのパートナー企業 AMCM は最近、最新の金属レーザービーム粉末床溶融結合 (PBF-LB) 3D プリンターである AMCM M 8K を発売しました。
新しい AMCM M 8K は、3D プリントされた宇宙ロケット部品の製造用に設計されています。この新しい 3D プリンターの最初の用途は、ArianeGroup の Prometheus ロケットエンジンの燃焼室の製造です。部品の高さは 1,000 mm を超え、CuCr1Zr 材料を使用して 3D プリントされました。

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