フランス宇宙機関、宇宙推進システムの改善にセラミック3Dプリントの利用を検討

この投稿は warrior bear によって 2022-5-27 18:37 に最後に編集されました。

2022年5月26日、Antarctic Bearは、フランス宇宙機関（CNES）が3Dプリントされた酸化物セラミック材料が宇宙推進の主要サブシステムの設計をどのように改善できるかについて研究を行っていることを知りました。
この研究は、複雑な形状に 3D プリントされたときに理想的な強度とクリープ耐性特性を提供する最適化されたイットリウムアルミニウムガーネット (YAG) ヘテロ構造の開発に焦点を当てました。 CNESによれば、これらの付加製造されたYAGセラミックは、将来の深宇宙探査で使用されるタービンブレードの金属合金の基礎となる可能性があるという。
△3DプリントされたYAGセラミック構造。画像はScientific Reportsより。
宇宙用途向けセラミック 3D プリント<br /> 3D プリントセラミックスは、その理想的な機械的特性と、積層造形技術によって可能になる幾何学的設計の可能性により、宇宙関連のさまざまな用途でますます研究されています。
3D プリントされたセラミックは、数年前から次世代ロケットエンジンやその他の新しい航空宇宙用途向けの強化コンポーネントの作成に使用されてきました。セラミックの革新の最前線に立つ企業の一つが CeramTec です。同社は欧州宇宙機関 (ESA) やエアバスと協力し、国際宇宙ステーション (ISS) での宇宙実験用の新世代セラミックサンプル容器を開発しました。
ISS には、Made in Space のセラミック製造施設であるタービンセラミック製造モジュール (CMM) も設置されており、微小重力環境での単一セラミックタービン部品の製造の実現可能性を実証するための SLA 3D プリンターが設置されています。
最近、デジタル複合材製造 (DCM) 3D 印刷プラットフォームの開発者である Fortify は、セラミック 3D 印刷の専門企業である Tethon 3D と提携し、ロケットノズルなどの極度の温度に耐える部品を含む積層製造用の新しいテクニカルセラミックを開発しました。
他にも、3Dプリントサービス会社3DCeramはCNESのスピンオフ企業Anywavesと提携して小型衛星用の3Dプリントセラミックアンテナを設計しており、オーストリアのエンジニアリング会社Incusは現在、ESAおよびセラミック3Dプリント専門企業Lithozと協力し、月面にあるスクラップメタルを3Dプリント月面ステーションのスペアパーツに加工する方法を研究している。
△ 国際宇宙ステーションに設置されたCMMの隣にいるNASAエンジニアのケイト・ルービンズ氏。画像はNASAより。
宇宙推進システムの設計の改善
CNES の最新の酸化物セラミックス研究開発作業により、宇宙推進の主要サブシステムの設計が改善され、液体燃料ロケットエンジンの性能が向上することが期待されています。
現在、金属合金が動作できる最高温度によって、液体燃料ロケットタービンエンジンのサイクル性能が制限されています。同機関によれば、タービン部品に耐クリープ性酸化物セラミックスを導入することで、サイクル温度を上昇させることができ、深宇宙探査ミッション中の性能を向上させることができるという。
YAG セラミックが選ばれたのは、高温での理想的な機械的特性、特に高い強度、1000 度を超える温度での優れたクリープ挙動、低い熱伝導率、物理的および化学的安定性、および水蒸気腐食に対する高い耐性があるためです。
現在、押し出し技術は、低コストと使いやすさから、セラミックスの直接成形技術として最も広く使用されている技術の 1 つです。これまでもYAGセラミックの印刷に積層造形法が使用されてきましたが、研究チームはプロセスの規模拡大や大量生産において不純物の形成などの潜在的な課題があることを認識しました。
そこで、YAGゲルとゲル内の液体が室温で蒸発した後に残るグリーン体を作成する工程を改良・拡張し、作成したスラリーの印刷可能性を調査することに着手しました。
△YAGゲルの調製スキーム。画像はScientific Reportsより。
コストを削減し、エネルギーを節約します<br /> CNES チームはこの技術を使用して、「実験室規模」の合成用に設計されたプロトコルを改良し、YAG ゲルの生産規模を拡大することに成功しました。研究者らは、建設3Dプリント会社WASPのDelta WASP 2040粘土3Dプリンターを使用して3Dプリントできるペースト状に配合された乾燥YAGゲルを使用しました。
次に、印刷された繊維構造をさまざまな温度で焼成し、不均質ゲルが YAG セラミック結晶に変化する様子を監視しました。このプロセスを通じて、研究チームは、1550～1700℃で熱処理した後に焼結して凝集性のあるセラミックシートを得る可能性を実証しました。
チームはまた、準備と 3D 印刷プロセスを組み合わせることでコストとエネルギーを削減でき、そのため産業界からエネルギー効率の高いプロセスとして評価されるだろうと指摘しました。特に、CNES チームは、宇宙探査用のセラミックタービン部品の製造が、3D プリントされた YAG ゲルの非常に有望な用途であると考えています。
この研究に関する詳細は、Scientific Reports 誌に掲載された「YAG キセロゲルの合成とロボット鋳造: セラミックのワンステップ変換」という論文に記載されています。この研究の共著者は、N. Flores-Martinez、L. Quamara、F. Remondiere、J. Jouin、G. Fiore、S. Oriol、および S. Rossignol です。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41598-022-12204-6

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