20 世紀以来、人類は宇宙を探索し、地球の外に何があるのかを理解することに魅了されてきました。NASA や ESA などの主要組織は宇宙探査の最前線に立っていますが、この探査におけるもう 1 つの重要なプレーヤーは 3D プリンティングです。複雑な部品を低コストで迅速に製造できるため、この設計テクノロジは企業内でますます普及しています。これにより、衛星、宇宙服、ロケット部品など、多くのアプリケーションの作成が可能になります。実際、SmarTech によると、民間宇宙産業の積層造形の市場価値は 2026 年までに 21 億ユーロに達すると予想されています。これにより、3D プリンティングは人類が宇宙で優れた能力を発揮するのにどのように役立つのかという疑問が生じます。
当初、3D プリンティングは主に医療、自動車、航空宇宙産業におけるラピッド プロトタイピングに使用されていました。しかし、この技術の普及が進むにつれて、最終目的のコンポーネントに使用されることが増えています。金属積層造形技術、特に L-PBF により、極限の宇宙条件に適した特性と耐久性を備えたさまざまな金属の製造が可能になりました。DED、バインダージェッティング、押出プロセスなどの他の 3D プリンティング技術も、航空宇宙部品の製造に使用されています。近年、Made in Space や Relativity Space などの企業が 3D プリンティング技術を使用して航空宇宙コンポーネントを設計するなど、新しいビジネス モデルが登場しています。
Relativity Space 航空宇宙産業向け 3D プリンターを開発
航空宇宙における 3D プリンティング技術
それらを紹介したところで、航空宇宙産業で使用されているさまざまな 3D プリント技術を詳しく見てみましょう。まず、金属積層造形、特に L-PBF がこの分野で最も広く使用されていることに注意してください。このプロセスには、レーザーエネルギーを使用して金属粉末を層ごとに融合することが含まれます。これは、小型、複雑、精密、カスタマイズされた部品の製造に特に適しています。航空宇宙メーカーも DED の恩恵を受けることができます。DED には金属ワイヤまたは粉末の堆積が含まれ、主に修理、コーティング、カスタマイズされた金属またはセラミック部品の製造に使用されます。
対照的に、バインダージェッティング法は、生産速度と低コストの点で有利ではありますが、最終製品の製造時間を増加させる後処理の強化ステップが必要となるため、高性能機械部品の製造には適していません。押出成形技術は宇宙環境でも有効です。すべてのポリマーが宇宙での使用に適しているわけではありませんが、PEEK などの高性能プラスチックは、その強度により一部の金属部品を置き換えることができることに注意してください。ただし、この 3D プリントプロセスはまだあまり普及していませんが、新しい材料を使用することで宇宙探査のための貴重な資産になる可能性があります。
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) は、航空宇宙向けの 3D プリンティングで広く使用されている技術です。
宇宙材料の可能性
航空宇宙産業は 3D プリンティングを通じて新しい素材を探索し、市場を破壊する可能性のある革新的な代替品を提案してきました。チタン、アルミニウム、ニッケルクロム合金などの金属が常に主な焦点となってきましたが、間もなく新しい素材である月のレゴリスが注目を集めるかもしれません。月のレゴリスは月を覆う塵の層であり、ESA はそれを 3D プリントと組み合わせる利点を実証しました。ESAの上級製造エンジニアであるアドベニット・マカヤ氏は、月のレゴリスは主にシリコンと、鉄、マグネシウム、アルミニウム、酸素などの化学元素で構成され、コンクリートに似ていると説明する。ESA は Lithoz と提携し、本物の月の塵に似た特性を持つ模擬月レゴリスを使用してネジや歯車などの小さな機能部品を製造しています。
月レゴリスの製造に関わるプロセスのほとんどは熱を利用するため、SLS やパウダーボンディング印刷ソリューションなどのテクノロジーと互換性があります。ESA はまた、塩化マグネシウムを材料と混合し、模擬試験片に含まれる酸化マグネシウムと組み合わせることで固体部品を製造することを目的として、D-Shape テクノロジーを使用しています。この月の材料の重要な利点の 1 つは、印刷解像度がより細かいため、最高の精度で部品を製造できることです。この機能は、アプリケーションの範囲を拡大し、将来の月面基地のコンポーネントを製造する際の主要な資産となる可能性があります。
月のレゴリスはどこにでもあります
火星で見つかった地下物質を指す火星のレゴリスもあります。現在、国際宇宙機関はこの物質を回収できませんが、科学者が特定の航空宇宙プロジェクトでその可能性を研究することを妨げるものではありません。研究者らはこの材料の模擬試験片を使用し、それをチタン合金と組み合わせて工具やロケット部品を製造しています。初期の結果は、この材料がより高い強度を提供し、錆びや放射線による損傷から機器を保護することを示しています。これら 2 つの材料は同様の特性を持っていますが、月のレゴリスは依然として最もテストされている材料です。もう 1 つの利点は、地球から原材料を輸送する必要がなく、これらの材料を現場で製造できることです。さらに、レゴリスは無尽蔵の材料源であり、欠乏の防止に役立ちます。
航空宇宙産業における 3D プリンティング技術の応用
航空宇宙産業における 3D プリンティング技術の用途は、使用される特定のプロセスによって異なります。たとえば、レーザー粉末床融合 (L-PBF) は、ツール システムや宇宙用の予備部品などの複雑な短期部品の製造に使用できます。カリフォルニアに本拠を置く新興企業である Launcher は、Velo3D のサファイアメタル 3D プリント技術を使用して、E-2 液体ロケット エンジンを強化しました。メーカーのプロセスは、LOX (液体酸素) を加速して燃焼室に送り込む際に重要な役割を果たす誘導タービンの作成に使用されました。タービンとセンサーはそれぞれ 3D プリンティング技術を使用して印刷され、組み立てられました。この革新的なコンポーネントは、ロケットにより大きな流体の流れとより大きな推力を提供し、エンジンの重要な部分となっています。
Velo3D は、E-2 液体ロケット エンジンの製造における PBF テクノロジーの使用に貢献しました。
積層造形には、小型および大型の構造物の製造など、幅広い用途があります。たとえば、Relativity Space の Stargate ソリューションなどの 3D プリンティング テクノロジーは、ロケットの燃料タンクやプロペラ ブレードなどの大型部品の製造に使用できます。Relativity Space は、長さ数メートルの燃料タンクを含むほぼ完全に 3D プリントされたロケットである Terran 1 の製造に成功したことで、このことを証明しました。2023 年 3 月 23 日に初めて発売され、積層造形プロセスの効率と信頼性が実証されました。
押出ベースの 3D プリンティング技術により、PEEK などの高性能材料を使用した部品の製造も可能になります。この熱可塑性プラスチックで作られた部品はすでに宇宙でテストされており、UAE の月探査ミッションの一環としてラシード探査車に搭載されました。このテストの目的は、月の極端な条件に対する PEEK の耐性を評価することでした。成功すれば、金属部品が破損した場合や材料が不足した場合に、PEEK で金属部品を代替できる可能性があります。さらに、PEEK の軽量特性は宇宙探査において価値がある可能性があります。
3D プリント技術は、航空宇宙産業向けのさまざまな部品の製造に使用できます。
航空宇宙産業における 3D プリントの利点
航空宇宙産業における 3D プリンティングの利点には、従来の構築技術と比較して部品の最終的な外観が改善されることが含まれます。オーストリアの3DプリンターメーカーLithoz社のCEOであるヨハネス・ホマ氏は、「この技術により部品が軽量化される」と述べた。設計の自由度により、3D プリント製品はより効率的で、必要なリソースも少なくなります。これは、部品製造による環境への影響にプラスの影響を与えます。Relativity Space は、積層造形により宇宙船の製造に必要な部品の数を大幅に削減できることを実証しました。Terran 1 ロケットでは 100 個の部品が節約されました。さらに、この技術は生産速度の点で大きな利点があり、ロケットは 60 日未満で完成します。対照的に、従来の方法でロケットを製造するには数年かかる可能性があります。
資源管理に関しては、3D プリントにより材料を節約でき、場合によっては廃棄物のリサイクルも可能になります。最後に、積層造形はロケットの離陸重量を軽減するための貴重な資産になる可能性があります。目標は、レゴリスなどの地元の材料を最大限に利用し、宇宙船内での材料の輸送を最小限に抑えることです。これにより、3Dプリンターだけを持ち運ぶことが可能となり、旅行後にその場ですべてを作成することができます。
Made in Space はすでに 3D プリンターの 1 台をテストのために宇宙に送りました。
宇宙での 3D プリントの制限
3D プリンティングには多くの利点がありますが、このテクノロジーはまだ比較的新しいため、制限もあります。Advenit Makaya 氏は、「航空宇宙産業における積層造形の主な問題の 1 つは、プロセスの制御と検証です。」と述べています。メーカーは実験室に入り、検証前に各部品の強度、信頼性、微細構造をテストできます。これは非破壊検査 (NDT) として知られるプロセスです。ただし、これには時間もコストもかかるため、最終的な目標は、これらのテストの必要性を減らすことです。NASA は最近、この問題に対処するため、積層造形によって製造された金属コンポーネントの迅速な認証に重点を置いたセンターを設立しました。このセンターは、デジタル ツインを使用して製品のコンピューター モデルを改善することを目的としています。これにより、エンジニアが部品の性能と限界 (破損するまでにどの程度の圧力に耐えられるかなど) をよりよく理解できるようになります。そうすることで、同センターは航空宇宙産業における 3D プリンティングの応用促進に貢献し、従来の製造技術との競合においてより効果的なものにしたいと考えています。
これらのコンポーネントは、包括的な信頼性と強度のテストを受けています。
一方、製造が宇宙で行われる場合、検証プロセスは異なります。ESAのアドベニット・マカヤ氏は「印刷中に部品を分析する技術がある」と説明する。この方法は、どの印刷製品が適しているか、どの印刷製品が適していないかを判断するのに役立ちます。さらに、宇宙向けの 3D プリンター用の自己補正システムがあり、金属機械でテストされています。このシステムは、製造プロセスにおける潜在的なエラーを特定し、そのパラメータを自動的に変更して部品の欠陥を修正します。これら 2 つのシステムにより、宇宙での印刷物の信頼性向上が期待されます。
3D プリンティング ソリューションを検証するために、NASA と ESA は標準を確立しています。これらの規格には、部品の信頼性を判断するための一連のテストが含まれています。彼らは粉末床融合技術を検討しており、他のプロセス向けに更新中です。ただし、Arkema、BASF、Dupont、Sabic などの材料業界の多くの大手企業もこのトレーサビリティを提供しています。
宇宙に住んでいますか？
3D プリント技術の進歩により、私たちは地球上でこの技術を使用して住宅を建設する多くの成功プロジェクトを見てきました。このことから、このプロセスが近い将来、あるいは遠い将来、宇宙に居住可能な構造物を建設するために使用されるのではないかと疑問に思うことがあります。宇宙に住むことは現時点では非現実的ですが、特に月面に住宅を建設することは、宇宙飛行士が宇宙ミッションを遂行する上で有益となる可能性があります。欧州宇宙機関 (ESA) の目標は、月のレゴリスを使用して月面にドームを建設することです。月のレゴリスは、宇宙飛行士を放射線から守る壁やレンガの構築に使用できます。ESAのアドベニット・マカヤ氏によると、月のレゴリスは約60％の金属と40％の酸素で構成されており、この物質から抽出すれば無限の酸素源を提供できるため、宇宙飛行士の生存には不可欠な物質だという。
NASAは、月面に構造物を構築するための3Dプリンティングシステムの開発に対してICONに5,720万ドルの助成金を与え、また同社と協力してマーズデューンアルファの生息地を造成している。目標は、火星の生活条件をテストするために、ボランティアに生息地に 1 年間住んでもらい、火星の条件をシミュレートすることです。これらの取り組みは、月や火星に 3D プリント構造を直接構築するための重要なステップを表しており、最終的には人類の宇宙植民地化への道を開く可能性があります。
遠い将来、これらの家によって生命が宇宙で生存できるようになるかもしれません。
投稿日時: 2023 年 6 月 14 日