DM3D：直接金属積層技術を用いてNASA向け大型エンジンブッシング部品を開発、工期を2～10倍短縮

この投稿は Coco Bear によって 2023-1-27 22:17 に最後に編集されました。

はじめに: AM は第 4 次産業革命と呼ばれていますが、大規模な部品製造の分野ではまだ長い道のりが残っています。すべての金属 AM 技術の中で、指向性エネルギー堆積 (DED) は拡張が容易で、大型部品の製造に最適ですが、DED の採用は、粉末床溶融結合 (PBF)、材料噴射 (MJ)、熱溶解積層法 (FDM) などの他の 3D 印刷技術に比べてはるかに遅れています。現在、航空宇宙産業と防衛産業が主導して大判金属印刷の検討と導入を進めており、状況は変わりつつあります。 2023年1月、アンタークティックベアは、大手DED技術およびサービスプロバイダーであるDM3Dが直接金属堆積技術を使用してNASAの大型エンジンブッシング部品を開発し、工期を2〜10倍短縮したことを知りました。

DED 技術は長い間開発されてきました。ベイカーが 1935 年に取得した「装飾品の製造方法」の特許は、指向性エネルギー技術を使用した最初の特許として知られており、そのプロセスはデジタル駆動ではなかったものの、その中核には階層化されたアプローチが残されていました。今日の DED テクノロジーはより洗練され、完全にデジタル製造方法によって推進されていますが、大規模な部品製造での使用にはまだいくつかの制限があります。造形速度の向上、造形プロセスの一貫性、リアルタイムのプロセス監視、応力と変形の解決戦略は、大規模な金属 AM 部品の生産を実現するための基本的な要件であり、現在の DED 技術の開発で対処する必要がある問題でもあります。

△図1. DMD技術を使用して印刷された複雑な幾何学図形。 (a) 中空エルボ、(b) 半球、(c) ロケットエンジンノズル（NASA MSFC 提供）、(d) タービンエンジン部品。

DED テクノロジーとサービスの大手プロバイダーであるDM3D Technology LLC は、大型金属部品の積層造形を可能にすることを使命としています。次に、Antarctic Bear がDM3D Technology LLC とその優れた実績を紹介します。 DM3D 独自の Direct Metal Deposition (DMDâ)は、高出力レーザーを熱源として使用し、金属粉末/ワイヤを原料として使用して、CAD データから直接金属部品を層ごとに 3D プリントするDED テクノロジの 1 つです (図 1)。このプロセスは、製造するコンポーネントを特定し、その技術的および商業的な製造上の課題を分析し、それらの課題に対する包括的なソリューションを開発して製造の成功を最大化することから始まります。過去 5 年間にわたり、DM3D チームは顧客やサプライヤーと協力してさまざまな成果を達成してきました。

△図2. DMDマルチノズルシステム左上の画像は、高速 3D 堆積を実現するデュアルノズルテクノロジーを示しています。

他の製品開発と同様に、DMD 印刷技術も高速性と高品質を追求しています。 DED プロセスは、高エネルギー入力と大きなビームサイズを使用することでこの目標を達成しましたが、これにより、複雑な機能を製造する能力とプロセス解像度が低下し、部品に非常に大きな変形が生じます。この課題を克服するために、DM3D チームは異なるアプローチを採用し、新世代のマルチノズル DMD システム (図 2) を設計、製造、運用しました。このマルチノズルDMDシステムの特徴は次のとおりです。

●直径 10 フィート、高さ 10 フィートの筐体●2 つのヘッドを同時に操作して 2 倍のスループットを実現。さらに 2 つ追加可能●特許取得済みの閉ループフィードバック制御により、プロセスの安定性と構築品質を確保●プレミアム材料用の部分的な溶融プールシールドを備えた同軸ノズル●傾斜可能なヘッド (±45°) を備えた大型回転テーブルにより、オーバーハングの印刷が可能●大容量、高供給速度の予熱粉末ホッパー

△ 図3. 部品の半径方向の変形を示すシミュレーション（NASA ARC チーム提供）。

△図4. DMD社が製造した実物大RS-25ノズルライナー。

△図5.部品CADに重ね合わせた3Dスキャンデータ。

大型部品の印刷プロセスを成熟させるための次の重要なステップは、製造する部品の選択と構築プロセスの最適化です。 DMD は NASA と協力して、RS-25 エンジンノズルブッシング (ベース直径 97 インチ、高さ 111 インチ) を候補部品として特定しました。

● 構築方法は、実験計画法（DOE）に基づくプロセスレシピの最適化から始まります。
●ANSYSソフトウェアを使用して、建設プロセスの熱、応力、変形をシミュレーションします（図3）
●印刷された形状の変形を補正します。
●ビルドプロセス成功（図4）
●最後に、ビルドが完了した後の構造化光ジオメトリチェック（Hexagon 製）スキャン（図 5）。

RS-25 エンジンブッシングの従来の製造方法を AM に置き換えると、構築時間が 2 ～ 10 倍短縮され、大幅なコスト削減 (最大 50%) が実現します。 NASA MSFC の主任エンジニアであり、世界的に有名な AM の専門家であるポール・グラドル氏は、次のように述べています。「 NASA は、将来の NASA ミッションと商用アプリケーションのための技術準備レベルを向上させることを目標に、新しい方法の開発、プロセス構築、新しい合金の開発、積層造形を使用したコンポーネントのデモンストレーションを進めるために、産業界や学界と提携関係を築いてきました。」

DM3D は、大型ロケットエンジン部品の印刷のこの成功したデモンストレーションが、大規模な金属積層造形への扉を開き、急速に成長する商業宇宙産業に直接利益をもたらすことを期待しています。 DMD テクノロジーは、製造速度が速く、新しい設計能力が高いため、現在および将来の設計・製造エンジニアにとって最適なツールとなり、イノベーションを加速して社会の発展にさらなる利益をもたらします。

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