NASA: 3D プリント + 熱力学モデリング = 高性能合金 GRX-810 の急速な開発

この投稿は Coco Bear によって 2022-4-19 22:18 に最後に編集されました。

2022年4月、アンタークティックベアは、アメリカ航空宇宙局（NASA）が、特に高性能航空宇宙分野での使用に適した金属3Dプリントに適した新しい合金を開発したことを知りました。

同社が開発した素材は、ナノスケールの酸化物分散強化（ODS）により高強度と耐久性を兼ね備えた合金「GRX-810」。この材料は1090°C (2000°F) を超える温度に耐えることができ、既存の航空宇宙用合金よりも延性があります。

NASAは最新の革新的な製造技術を使用して、ロケットエンジンなどのシステム用の高温部品を3Dプリントする予定であり、これにより燃料効率が向上し、メンテナンスコストが削減される可能性がある。 NASAはこの合金を使って、燃料と空気を混合する重要な部品であるタービンエンジンの燃焼器を3Dプリントした。

ナノサイズの酸化物粒子が合金に驚くべき性能上の利点をもたらします。
——NASA技術プロジェクト副プロジェクトマネージャー、デール・ホプキンス氏 △GRX-810を使用して印刷されたタービンエンジン燃焼器。写真提供：NASA。

GRX-810: 魔法の合金?

大気圏外の環境は非常に過酷であるため、NASA の材料研究開発作業は、極端な環境条件下での部品の機械的特性を改善することを目的としています。 GRX-810 は、インコネルなど今日の主要な合金の多くに比べて大幅な性能上の利点を備えているため、NASA の目標達成に向けた重要な一歩となります。たとえば、1090°C では、GRX-810 は「最先端の合金」と比較して、破壊抵抗が 2 倍、延性が 3.5 倍、応力耐久性が 1,000 倍以上になります。

デール・ホプキンス氏は、この画期的な進歩は材料開発にとって革命的だと指摘した。新しく、より強く、より軽い材料は、飛行技術と飛行能力を向上させる継続的なプロセスにおいて重要な役割を果たします。従来、引張強度が増加すると、材料が破損する前に伸びたり曲がったりする能力が低下するのが一般的でしたが、GRX-810 はこの問題を解決します。
新しい合金開発プロセス

GRX-810 の複合特性は、主にNASA の新しい合金開発プロセスによるものです。彼らは、熱力学モデリングと組み合わせた 3D プリント技術を使用して、材料の画期的な性能を実現しました。

ODS 合金は開発が難しく、費用もかかる傾向があるため、NASA の研究者は当初、計算モデルを使用して GRX-810 の組成を微調整する必要がありました。研究チームは熱力学モデリングを使用して、どの金属をどのくらいの量で組み込むかを正確に決定しました。その後、研究者らはレーザーベースの 3D プリンティングを使用して、ナノスケールの酸化物を合金マトリックス全体に均一に分散させ、耐熱性と強度特性を実現しました。

Dale Hopkins 氏は、ODS の開発プロセスは通常数年かかり、主に試行錯誤に基づいていると指摘しています。研究者たちは、計算モデリングと 3D プリントのこの新しい組み合わせを使用して、開発期間をわずか数週間に短縮することに成功しました。 NASA チームは熱力学モデリングを通じて、わずか 30 回のシミュレーションで最適な合金組成を発見することができました。
「これら 2 つのプロセスを適用することで、材料開発が大幅に加速しました。これまでよりも速く、より優れた性能を持つ新材料を生産できるようになりました。」
—クリーブランドにあるNASAグレン研究センターの材料研究科学者、ティム・スミス氏。
△NASAグレン研究センター。写真提供：NASA。

金属3Dプリント技術は航空宇宙分野で広く利用されている

●2022年4月、推進システムメーカーのAerojet Rocketdyneは、nTopologyの設計ソフトウェアの助けを借りて、3Dプリントを使用して反応制御システム（RCS）クアッドスラスタの主要コンポーネントを最適化しました。同社の新しい宇宙エンジン部品は67%軽量化され、スラスタの総生産コストも66%削減され、より迅速かつ持続可能な月探査が可能になった。

航空宇宙大手のボーイングは最近、小型衛星の製造と試験のための新しい高スループット3Dプリント施設を立ち上げた。エルセグンドにある世界最大の衛星工場に位置する100万平方フィートの施設は、ボーイングの子会社であるミレニアム・スペース・システムズによって運営される予定だ。小型衛星の納期を短縮するため、この装置は宇宙対応の衛星バス全体を3Dプリントし、2022年末までに完全稼働する予定だ。

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