研究者は3Dプリント技術を使って液体ロケットエンジンを作り、先進的な宇宙応用を推進している。

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-6-28 11:48 に最後に編集されました

2023年6月28日、アンタークティックベアは、サンディエゴ州立大学（SDSU）に通う工学部の学生グループが液体ロケットエンジンを開発しており、宇宙の境界とされるカルマン線まで打ち上げることを目標としていることを知りました。これを実現するために、同社は SLM Solutions のデュアルレーザー SLM 280 2.0 金属積層造形システムを選択し、製造にはインコネル 718 材料を使用しました。

△3Dプリント液体ロケットエンジン部品、100以上の部品を5つに統合
SLM ソリューションズの専任チームが開発プロセス中に指導を提供し、エンジン部品の数を 100 個以上からわずか 5 個にまで削減することに成功しました。この革新的な製品は、ミシガン州ウィクソムにある SLM の北米アプリケーションセンターで製造され、オハイオ州にある Quintus Technologies のアプリケーションセンターで熱間静水圧プレス (HIP) され、Avonix Imaging によって CT スキャンされ、品質テストが行われます。

エンジン生産プロセスは、広範囲にわたる設計検討、試作、テスト手順を伴い、約1年間にわたって継続されていると報告されています。目標は、2 つの部分からなるカバー、2 つの部分からなるライナー、およびインジェクターで構成される最適なエンジンシステムを作成することでした。部品は、アルゴン環境で 30 ミクロンの厚さのインコネル 718 粉末を使用して 3D プリントされ、アルゴン環境で 1066°C で 1.5 時間脱粉末および応力緩和されました。最後に、ワイヤーカット技術を使用して、ビルドプレートから部品を分離します。

△ インコネル718 3Dプリントで印刷されたロケットチャンバー
複雑な形状と中空構造を持つ部品

プロジェクト全体を通じて、3D プリント製造技術により、チームは設計コンセプトのプロトタイプを迅速に作成し、複雑な形状と中空構造を持つ部品を製造することができました。これらすべての利点により、エンジンはより軽量でありながら性能仕様を満たすことができます。ただし、この技術を導入するにはいくつかの課題があります。

金属粉末ベッド融合印刷プロセスの設計を最適化した後、チームは、材料内の粒子が均一な等軸粒子ではなく、構築方向に沿って柱状に成長することを発見しました。

ホール・ペイジ方程式によれば、室温では降伏応力は平均粒径の平方根に反比例するため、粒径は金属材料の機械的特性にとって非常に重要です。したがって、粒子が小さいほど、材料は強くなります。しかし、この結晶粒の成長により、材料の機械的特性が方向によって異なるため、チームは金属の欠陥を減らし、疲労耐性を向上させるための措置を講じる必要がありました。

金属が再結晶温度を超える温度にさらされると、粒径が大きくなります。温度が高くなり、露出時間が長くなると、より多くの粒子の成長が起こります。通常、インコネル 718 材料の熱間静水圧プレス (HIP) 処理温度は 1163 ～ 1200°C で、処理時間は 4 時間です。しかし、いくつかの研究では、これらのパラメータが広範な結晶粒成長につながり、疲労特性に悪影響を及ぼす可能性があることが示されています。

△SLM 280 2.0 金属3Dプリント製造システム
結論

AM 材料の粒成長の問題は、温度または露出時間を下げることで解決できます。 Quintus Technologies 社が西スウェーデン大学と共同で行った研究によると、従来のプロセスよりも低温での熱間静水圧プレス (HIP) により、欠陥を排除し、粒子の粗大化を最小限に抑えることができることが示されました。

彼らは、1120°C～1185°Cの極限条件下でインコネル718サンプルのHIP処理をテストしました。結果は、この温度範囲内での気孔除去効果が良好であり、低温では気孔率が0.15 vol.%から0.01～0.02 vol.%に減少したことを示しました。さらに、1185 °C での粉末床溶融サンプルでは明らかな粒成長が見られましたが、1120 °C での熱間等方加圧処理では大幅に微細な粒ができました。さらにテストを行ったところ、1120°C での HIP 処理と溶体化処理および短縮された 2 段階の時効処理を組み合わせると、粒径をさらに小さくできることもわかりました。

△HIP技術は航空宇宙産業や医療インプラント産業における3D生産に革命をもたらした
最終的に処理時間を短縮し、生産効率を向上

Quintus Technologies は、積層造形におけるインコネル 718 の熱間等方圧プレス (HIP) に関する知識を活用し、最適化された HIP サイクルを適用して微細構造を均質化し、粒成長を最小限に抑えながら、完全に高密度な構造を追求しています。ロケットエンジン用の小型の 3D プリント部品は、Quintus アプリケーションセンターで 1120°C、100MPa で 4 時間の浸漬プロセスを使用して HIP 処理されました。このサイクルでは、急速冷却HIP装置のURC（超急速冷却）機能も活用し、処理時間を最小限に抑え、生産効率を向上させます。

3Dプリントされた液体ロケットエンジンはその後、コンピューター断層撮影スキャンのためにAvonix Imaging社に送られた。このプロジェクトでは、数千枚のレントゲン写真を撮影して 1 回のスキャンで大量の 3D データを生成する 3D コーンビームスキャンと、欠陥検出を妨げる可能性のあるコーンビーム CT スキャンの問題を克服する 2D リニアアレイスキャンが必要でした。

Avonix は、450KV マイクロフォーカスソース、61.5 ミクロンのボクセルサイズ、4mm の銅フィルターを使用したコーンビームスキャン方式を使用してロケットエンジンをスキャンしました。このプロセスは 45 分間続き、3,000 枚の投影画像がキャプチャされました。印刷された部品には多孔性の証拠は見つからず、その後 Avonix は線形アプローチを使用して結果を検証しました。 2 回目のスキャンプロセスでは、450 KV マイクロフォーカスソース、100 ミクロンのボクセルサイズ、および 2 mm の銅フィルターが使用されました。各スライスは 45 秒で処理され、1,600 枚を超える Z スライスがキャプチャされ、合計 19 時間かかりました。

プロセスの最後に、SLM Solutions、Quintus、Avonix は、部品数が減り、複雑さが増し、疲労強度が向上し、機械的特性のばらつきが少なくなったロケットエンジンを学生に返却します。パートナーらはまた、インコネル 718 の 3D 印刷における現在の熱間等方圧プレス (HIP) 規格の限界についても強調しました。この規格はもともと鋳造用に設計されたものですが、現在では積層造形分野に適用されています。しかし、品質保証テストに裏打ちされた同社は、金属付加製造と HIP をさらに一歩進め、品質が損なわれないようにしながら、航空宇宙および航空分野での高度なアプリケーションを可能にしました。

研究者は3Dプリント技術を使って液体ロケットエンジンを作り、先進的な宇宙応用を推進している。

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