ポリライト3Dプリント技術の航空宇宙分野における4つの応用事例

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

製造会社が 3D プリント技術を採用するかどうかは、製品のライフサイクル全体にわたる価値移転における製品の役割を総合的に考慮する必要があります。この役割は、航空宇宙産業で特に顕著です。同時に、航空宇宙分野も国内外で積層造形技術の発展を主導する役割を果たしています。ポリライトは、中国でこの技術分野の有名なメーカーとして、業界で広く認知されており、航空宇宙分野での長年にわたる深い開拓を通じて、多数の事例を蓄積してきました。今号では、複雑な製品製造や迅速な対応といった観点から、3Dプリンティング技術が製品や企業にもたらした変化を4つの事例で紹介します。

1. 千成1号衛星01：衛星全体に100万以上のドット構造があり、最小の特徴は0.5mmである。

2019年8月17日北京時間12時11分、千成1号01号衛星が主衛星として、中国航天科技集団の捷龍1号堯1号ロケットに乗せられ、酒泉衛星発射センターから打ち上げられた。ロケットは活動期を経て、衛星を所定の軌道に乗せ、衛星の軌道投入は完全に成功した。千成1号衛星の主構造は、現時点で世界初の3Dプリント格子材料をベースにした衛星全体構造である。千成1号衛星は軌道上で安定して運用されており、宇宙船の主荷重支持構造に使用される3Dプリント3次元格子構造の技術成熟度がレベル9に達したことを示し、実際のシステムがミッションを無事完了したことを意味する。

千成1号の衛星全体の構造は、積層造形用の軽量3次元格子構造設計法を用いて設計され、衛星全体の構造はアルミニウム合金の積層造形技術を用いて一体化・製造されている。従来の超小型衛星構造の重量は約20％を占めていたが、前成1号超小型衛星の衛星構造全体の重量は15％未満にまで削減された。衛星全体の構造部品の数は5個に削減され、設計準備サイクルは1か月に短縮され、衛星構造全体のサイズは500mm×500mm×500mmの封筒サイズを超えた。

衛星の一部軽量部品はBLT-S600ブランドの設備で印刷・製造されており、部品内部の軽量格子構造の最小寸法はわずか0.5mmです。部品の全体的な外形サイズは大きく、内部の軽量格子セル構造は小さく、衛星全体には100万を超える格子構造の特徴があり、スキン構造は小さく、積層成形プロセスは困難です。製造プロセス全体を通じて、大型、精巧、特殊な構造形成におけるポリライトの技術的利点が十分に実証されています。

2. ロケットエンジンのガス発生器と燃焼室部品の3Dプリント

2020年3月、国内有数の民間液体ロケット開発企業である藍矢航天が独自に開発した朱雀2号液体ロケットシステムの天雀10トン液体酸素メタンエンジン（TQ-11）が、再び長距離試験走行を実施した。 1週間以内に、天雀エンジンプロジェクトチームはTQ-11エンジンセットを使用して、それぞれ10秒、100秒、750秒、1500秒の4回のフルシステムホットテストを実施し、すべて成功しました。

TQ-11は中国で唯一のマルチノズル液体酸素メタンロケットエンジンであり、朱雀2号液体運搬ロケットの第2段浮上エンジンです。 2018年、LandspaceはSuzaku-2液体ロケット用の「80+10」ロケット推進システム技術ルートを発表しました。2種類のエンジンを並列に組み合わせることで、小型、中型、大型のSuzakuロケットファミリー全体をカバーできます。現在、両タイプのエンジンのテストは成功しており、Polyliteは「Tianque」エンジンのガス発生器本体と燃焼室の金属3Dプリントサービスを引き受けています。

ガス発生器本体と燃焼室は、Blue Arrow Aerospace 社の「Tianque」エンジンの重要な部品です。部品の内部構造は複雑で、形状と流路の精度に厳しい要件があります。燃焼室部品には百本以上の細い流路が全体に分布しており、ガス発生器本体部品には数十本の冷却流路があります。部品の最小特性寸法精度は±0.05mmであり、従来の鍛造、溶接などの加工技術ではこの技術要件を満たすことができません。金属3Dプリント技術は、複雑な構造の一体成形を実現し、エンジンの組み立てサイクルを大幅に短縮します。一体型設計により、部品数を効果的に削減し、エンジンのメンテナンス性を向上させ、部品の大量生産を容易にします。

ポリライトは、初期段階で部品の主要な特徴について十分なプロセス検証を実施し、反復的なプロセス最適化を迅速に実行して、形成された部品が機械的特性、特性寸法などの技術的要件を満たしていることを確認します。

BLTは部品のサイズと構造特性に応じて、ガス発生器本体と燃焼室をそれぞれBLT-S310とBLT-S400で形成します。デュアルレーザー金属3Dプリント装置BLT-S400は、一度に2つの燃焼室を形成できるため、製品の品質と効率の両方を考慮し、納期を大幅に短縮し、全体的なコストを削減できます。さらに、PolyliteテストセンターはNadcap認証資格を持ち、CNASラボの認定を受けており、専門的な原材料化学テスト、非破壊テスト、熱処理、フローキャリブレーション、その他の関連テストサービスを提供して、部品の全プロセス品質保証を提供します。

3. 3DプリントされたCubeSat展開装置が宇宙ステーション用のマイクロナノ衛星予備技術をリリース

2020年5月8日、新世代有人宇宙船試験船の帰還カプセルが東風着陸場の指定エリアに無事着陸し、試験船の飛行試験ミッションは完全に成功しました。新世代の有人宇宙船試験船は、初の3Dプリント宇宙実験を完了しただけでなく、金属3Dプリント技術に基づく世界初の立方体衛星展開装置も搭載しました。この展開装置は、中国の民間航空宇宙企業である星中宇宙（北京）科技有限公司によって開発され、ポリライト金属3Dプリント技術を使用して製造されました。

Polylite社が製造する金属3Dプリント展開装置は、従来の機械加工製品の半分の重量で、処理サイクルも数か月から1週間に短縮され、設計重量が大幅に軽減され、構造強度が向上します。この飛行により、Cubic Satelliteの新型3Dプリント展開装置の構造強度、材料特性、宇宙環境への適応性が完全に検証され、「3Dプリント+航空宇宙」の大規模応用と将来の宇宙ステーションによるマイクロナノ衛星の軌道上放出と移動展開のためのデータと予備技術が提供されました。

COSPOD-3D と名付けられたこのキューブサット展開装置は、国際標準の 3U キューブサットの打ち上げおよび展開要件を満たすだけでなく、一部の拡大された 3U キューブサットのニーズも満たし、多層展開セイル、大型表面実装アンテナ、カメラなどの外部突出ペイロードの適用にも対応します。さらに重要なことは、このシリーズの製品には新しいマルチ衛星分散コントローラが搭載されており、ロケットから提供される分離信号を通じて複数の展開装置の放出を駆動することができ、1つのロケットで数百の衛星を展開する機能を実現しています。同じく星中宇宙が設計・開発し、ポリライトが製造した複数衛星分散制御装置は、今後数か月以内に軌道上試験を実施する予定だ。

マイクロナノ衛星部品の加工に3Dプリント技術を使用すると、大量生産においても大きな利点があります。今回プリントした立方体衛星展開装置を例にとると、ポリライト社が独自に開発した従来サイズの装置BLT-S310は、成形サイズが250×250×400mmで、一度に2台の展開装置を成形できる。 Polyliteの他のモデルや大型の機器は、一度に3〜10台の展開装置のバッチ処理を実現し、「数百」や「数千」といった衛星業界の大規模な打ち上げ計画に強力なサポートと品質保証を提供します。

4. 金属3Dプリントの「スマート」衛星は、スピード製造の利点を強調している

2021年12月、ポリライト印刷と星中空間が製造した宇宙実験衛星「霊橋」は、陝西省初の商業ロケット会社である陝西華贺達科技が打ち上げた弾道ロケットで、北西部の試験場での初飛行に成功した。

金属製 3D プリント「Agile Testbed」衛星は、生物学、医学、材料、エネルギーなどの宇宙実験専用に Star Space が設計した衛星プラットフォームです。「Shrewd」は、衛星構造の変革とセンシング技術の強化により、実験ペイロードの振動を効果的に低減し、温度を正確に制御できる実験環境を実現しました。軌道上での起動や正確なデータ測定、記録、保存、ダウンリンクなど、このような実験の一般的なニーズを満たすことができ、弾道飛行や軌道飛行でのさまざまな短期および長期ミッションに適しています。

今回、ポリライト社は「インジェニュイティ」衛星のメインフレーム構造のプリントを担当しました。「インジェニュイティ」衛星のメインフレーム構造は、4枚のパネルと4本の梁で構成されています。メインフレーム構造の軽量化と高剛性化という技術要件とプロジェクトの緊急ノード要件を満たすために、BLTはAlMgSc高強度アルミニウム合金を原料とし、BLT-S400三レーザー設備を使用して迅速な開発を実現しました。

BLTは生産課題を受けて迅速に対応し、BLT-S400シリーズの3レーザー装置と1台の炉を使用して、総加工時間35時間で成形を完了しました。プロジェクトの緊急性のため、部品は社内で24時間循環され、後処理、機械加工、陽極酸化処理などの処理を経て、締め切り日の午後10時に納品されました。プロジェクトの総サイクルは8日間でした。

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