インドはIN718合金燃料噴射装置を3Dプリントし、ミサイルターミナルへの応用の可能性を実証

2021年12月6日、アンタークティックベアは、インド国防冶金研究所（DMRL）の研究者が3Dプリント技術を使用して、地対空ミサイルの推進コストを削減できる改良型燃料噴射装置を作成したことを知りました。
チームは PBF 3D プリント技術を使用してインジェクターの設計に三角形の断面を組み込み、これにより、以前は組み立てる必要があった 2 つの部品を 1 つの流れ最適化されたユニットに組み合わせることができました。エンジニアによれば、これにより高価な電子ビーム溶接（EBW）法が不要になるだけでなく、独自のグリッド状の軽量コンポーネントも作成できるという。
△DMRLチームのトポロジー最適化された燃料インジェクターの3Dモデル。画像提供：インド国立工学アカデミー。
インドの国家ミサイル開発戦略<br /> 2009 年以来、DMRL の新興製造技術グループは、Optomec LENS-750 システムを使用して、鋼鉄、チタン、およびさまざまな超合金でミサイルのプロトタイプ部品を印刷しています。その過程で、チームのエンジニアたちは、特に設計の自由度とリードタイムの点で、従来の航空宇宙生産プロセスに比べて付加製造技術が優れていることを発見しました。
しかし、インドのヴィクラム・サラバイ宇宙センターで同様のスラスタプロジェクトが成功した後、研究者たちはDED技術を放棄し、独自の燃料噴射装置の設計に着手することを決定した。 PBFプロセスに切り替えて以来、エンジニアたちは既存のミサイル部品を、構造的完全性を損なわず、サポートの必要性を排除する方法で再設計できるようになったと述べている。
「従来の製造方法の限界により、設計者はより効率的な設計を実現し、より軽量で強度の高い部品を作成するための柔軟性があまりありません。彼らは単に製造に特化した部品を設計せざるを得ないのです」と研究チームは論文で述べている。「解決策としての3Dプリントは、設計者が概念化し、設計し、モデル化した部品を製造できます。」
△研究者らが3Dプリントしたミサイル燃料噴射装置の光学微細構造画像。画像提供：インド国立工学アカデミー。
改造された航空宇宙部品<br /> DMRL チームの PBF 実験では、ミサイルやロケットの反応制御システムで高度制御を実現するために通常使用される燃料噴射装置コンポーネントを再設計することを選択しました。これらの部品は、「インジェクター」と「リング」の要素、および燃料と酸化剤の出力用の 3 つの大きな穴で構成されており、通常は CNC 加工と EDM によって製造され、その後 EBW を使用して溶接されます。
エンジニアによると、このようにして製造されたデバイスコンポーネントのほとんどは重量が重すぎるため、パフォーマンスと効率に大きく影響し、複雑な内部形状のサポートも必要になります。
一方、PBF に切り替えて DfAM アプローチを採用することで、DMRL の研究者は、エジェクターを単一の印刷要素として製造することができ、その新しい 66.4° の断面により、サポートなしでエジェクターを製造することができました。チームは改良にあたり、部品の流路をアップグレードし、低応力領域から材料を除去し、ベースに超軽量の格子構造を導入することにも成功しました。
エンジニアは、IN718ニッケル合金を使用した燃料噴射装置のプロトタイプをEOS-M400 DMLSマシンで30時間かけて3Dプリントし、その後SEM画像を観察して機械テストを実施しました。この部品は内部の空洞面積が良好で、構造的な剛性を弱める大きな気孔や亀裂がなく、高密度に構築されていることが分かりました。
さらに、テスト中、このデバイスは500～600 MPaの圧縮強度と、従来の方法で溶解して鋳造されたIN718よりも優れているとチームに言わせる優れた硬度と引張強度特性を示しました。
したがって研究者らは、3D プリントベースのアプローチの実現可能性と、それが最終的に末端燃料噴射装置に適用される可能性を実証することに成功したと結論付けました。しかし、部品の機能効率を評価するために、印刷された部品のさらなるリグテストが必要であり、さらなる分析によって機器の最適化のためのより良い機会を特定できる可能性があるとも述べた。
△米国の防衛機関は長年、ミサイル用の3Dプリント技術の実験を行ってきた。画像は米国国防総省提供。
ロケット打ち上げにおける 3D プリントの応用<br /> 大型金属 3D プリンターの機能が拡大し続けるにつれて、航空宇宙分野への応用も拡大しており、世界中の防衛機関がすでにこの技術を広範囲にテストしています。昨年、研究機関ASTRO Americaは、DARPAの委託を受けた調査に基づき、3Dプリンターを備えた極超音速ミサイル製造施設の建設を提案した。
米陸軍研究所は、ミサイル部品を3DプリントするプロジェクトにSenvolとその機械学習ソフトウェアの協力を得た。 Senvol は、独自の AI アルゴリズムを使用して、あらゆる部品や積層造形システムに適用できる柔軟な認証プログラムの開発を請け負っています。
他にも、3D プリンティングは航空宇宙分野の幅広い分野でスラスターの製造にも使用されており、Agile Space 社は現在、Launcher 社や Rocket Lab 社などの長年の顧客と協力して、付加的な技術を使用して推進システムのアップグレードを開発する計画を立てています。
研究者らの研究結果は、Saride Ramesh Kumar、V. Srinivas、G. Jagan Reddy、M. Raghavender Rao、T. Raghu が共著した「ミサイル用途向け IN718 合金製燃料噴射装置の 3D 印刷」と題された論文に詳しく記載されています。

関連論文リンク: https://link.springer.com/article/10.1007/s41403-021-00253-8

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