シールドガスなしの金属3Dプリント、IMPACTとAELがコールドスプレー3Dプリント燃焼室の開発をリード

この投稿は warrior bear によって 2021-9-17 22:24 に最後に編集されました

はじめに：2021年9月17日、Antarctic Bearは、ドイツに本社を置く産業用コールドスプレー積層造形（CSAM）システムのリーダーであるImpact Innovationsが、英国の推進システム設計者であるAirborne Engineering（AEL）と協力して、CSAMテクノロジーを通じて推進システムコンポーネントを製造するというアイデアを検証したことを知りました。
両者は協力して燃焼室のデモンストレーションモデルを設計し、3Dプリントされた吸気マニホールド（シリンダーに燃料を供給するエンジン部分）をテストし、他の積層造形技術と比較したCSAMプロセスの利点を示しました。
△CSAM社製燃焼室吸気マニホールドのデモサンプル。画像はImpact Innovationsより
コールドスプレー3Dプリント
CSAM は、超音速ガスジェットを使用して固体粉末粒子を加速する材料堆積プロセスです。粒子はノズルから音速の 4 倍の速度で基板上に発射され、液体のように振る舞って冷却され、基板と原子レベルの冶金結合を形成します。
このプロセスは、高温を必要としないため、レーザー、電子ビーム、ワイヤアークベースの 3D 印刷プロセスとは異なります。したがって、印刷プロセス中に保護雰囲気は必要なくなり、印刷された部品への熱残留応力の影響が排除されます。
△コールドスプレー3Dプリントプロセス（CSAM）
昨年 12 月、ImpactInnovations は、推進剤として窒素を使用するチタン合金 Ti-6Al-4V 専用の新しい CSAM プロセスを開発しました。以前のテストでは、臨界速度が高かったため、最終的に印刷された部品に高い多孔性が生じました。したがって、コールドスプレー堆積法でこの合金を印刷するのは困難ですが、同社の最新のアプローチにより、Ti-6Al-4V 部品の多孔度レベルを 0.2% 未満に下げることができました。
CSAM 技術を開発しているのは Impact Innovations だけではありません。このプロセスの他のバリエーションは、GE90 エンジンのギアボックスを修理する General Electric や、LightSPEE3D 3D プリンターの形でコールドスプレー技術を商品化している SPEE3D などの企業によって開発されています。それ以来、SPEE3D の技術はオーストラリア陸軍のさまざまなフィールドテストに使用され、低コストの金属 3D プリントロケットエンジンの製造にも使用されています。
過去数年間、コールドスプレー 3D プリントプロセスは、電気モーター用の高性能磁石の製造にも研究されており、CSAM のさらなる研究と応用を推進するための複数の取り組みが行われており、この技術を適用できる材料の範囲も継続的に開発されています。
△実物大の燃焼室は現在、Impact Innovation社の工場でCSAMプロセスを使用して製造されています。画像はImpact Innovationsより
CSAM は燃焼室の製造に使用されます<br /> 近年、商用ロケットエンジンの製造のための高速かつ低コストの付加製造プロセスの開発に対する関心が高まっています。特に、粉末床溶融結合（PBF）技術は、その設計の自由度と市場での人気により、多くの研究および応用事例を集めています。
しかし、Impact Innovations が指摘するように、PBF 3D プリントは燃焼室の製造において、特に冷却チャネルの内壁で表面粗さが高く、金属や合金の限られた構築範囲と機械加工などの課題に直面しており、部品内の冷却効率が低下する可能性があります。
Impact Innovations は、CSAM テクノロジーでこれらの制限に対処しようと考え、燃焼器コンポーネントの製造プロセスを検証するために AEL に依頼しました。 AEL は、Impact Innovations の指導の下、高強度銅合金製の再生冷却ライナーとインコネル製の外側ジャケットで構成される CSAM プリント吸気マニホールドのテストに適した燃焼室デモンストレーターを設計しました。
両社はCSAMを使用して吸気マニホールド部品のデモサンプルを製作しており、このプロセスが燃焼室の製造に完全に適しており、他の3Dプリント技術に比べて明らかに優れていることを証明していると主張している。
△室温および高温（427℃）での熱処理後、すなわち堆積時の吸気マニホールドの機械的特性。画像はImpact Innovationsより
他の AM 技術と比較した CSAM の利点<br /> Impact Innovations と AEL によると、他の付加製造技術と比較した CSAM プロセスの大きな利点は、印刷プロセス中に保護雰囲気を必要としないことです。 CSAM は、異なる材料や合金を接合するためのシンプルな技術も提供しており、追加のコンポーネントを溶接なしで接合することができます。
このプロセスでは、部品の冷却チャネルの表面粗さの問題に対処しながら、部品の熱応力も無視できる程度に抑えられます。さらに、粉末は材料を堆積するためにのみ使用すればよく、これは、ビルドボリューム全体を満たす必要がある PBF プロセスと比較して価値があります。
内燃機関マニホールド冷却通路のデモンストレーションサンプルを製造し、部品の銅およびインコネル合金の機械的特性を調べました。 CSAMプロセスでは、銅合金を1時間あたり10kg、インコネルを1時間あたり6.7kgの速度で堆積することができ、これは同等のPBF 3Dプリントプロセスよりも20倍以上高速であると言われています。
インパクト・イノベーションのジェッティング・ラボでは、同社のジェッティング旋盤で、直径最大1.5メートル、長さ2メートル、重さ最大1,500キログラムの部品を製造できる。現在、同社の施設で CSAM プロセスにより実物大の燃焼室が製造されており、まもなく AEL の現場で燃焼試験が行われる予定です。これらの試験の結果がどうなるかはまだわかりません。

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