20世紀以来、人類は宇宙探査と地球外生命体の探究に強い関心を寄せてきました。NASAやESAといった主要機関は宇宙探査の最前線に立っており、この挑戦におけるもう一つの重要な役割を担うのが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この設計技術は、企業の間でますます普及しています。衛星、宇宙服、ロケット部品など、様々な用途の製品開発を可能にしています。実際、SmarTechによると、民間宇宙産業における積層造形（AM）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。そこで、3Dプリンティングは人類の宇宙進出にどのように貢献できるのか、という疑問が浮かび上がります。
3Dプリンティングは当初、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主に利用されていました。しかし、技術の普及に伴い、最終用途部品への利用も増加しています。金属積層造形技術、特にL-PBFは、過酷な宇宙環境に適した特性と耐久性を備えた様々な金属の製造を可能にしました。DED、バインダージェッティング、押し出し成形といった他の3Dプリンティング技術も、航空宇宙部品の製造に利用されています。近年では、Made in SpaceやRelativity Spaceといった企業が3Dプリンティング技術を用いて航空宇宙部品を設計するなど、新たな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プリント技術
ここまでご紹介したとおり、航空宇宙産業で使用されている様々な3Dプリント技術を詳しく見ていきましょう。まず、この分野で最も広く使用されているのは金属積層造形（AM）、特にL-PBFです。このプロセスでは、レーザーエネルギーを用いて金属粉末を層ごとに溶融します。これは、小型で複雑、精密、そしてカスタマイズされた部品の製造に特に適しています。航空宇宙メーカーは、金属ワイヤまたは粉末を堆積させるDED（積層造形）からも恩恵を受けることができます。DEDは、主に金属またはセラミック部品の修理、コーティング、またはカスタマイズされた部品の製造に使用されます。
一方、バインダージェッティング法は、生産速度と低コストという点で有利ではあるものの、後加工による強化工程が必要となり、最終製品の製造時間が長くなるため、高性能機械部品の製造には適していません。押し出し成形技術は宇宙環境においても有効です。ただし、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の代替として活用できます。この3Dプリントプロセスはまだ広く普及しているとは言えませんが、新素材を用いることで宇宙探査にとって貴重な資産となる可能性があります。
レーザー パウダー ベッド フュージョン (L-PBF) は、航空宇宙分野の 3D プリント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素材の探索に取り組んでおり、市場を混乱させる可能性のある革新的な代替案を提案しています。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、まもなく新たな素材が脚光を浴びる可能性があります。それは月のレゴリスです。月のレゴリスは月を覆う塵の層で、ESAはそれを3Dプリンティングと組み合わせる利点を実証しました。ESAのシニア製造エンジニアであるアドベニット・マカヤ氏は、月のレゴリスはコンクリートに似ており、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できていると説明しています。ESAはLithozと提携し、実際の月の塵に似た特性を持つ模擬月のレゴリスを使用して、ネジやギアなどの小さな機能部品を製造しています。
月面レゴリスの製造工程のほとんどは熱を利用するため、SLSや粉末接合印刷ソリューションなどの技術と互換性があります。ESAはまた、D-Shape技術を用いて、塩化マグネシウムを材料と混合し、模擬試料中の酸化マグネシウムと結合させることで固体部品を製造することを目指しています。この月面材料の大きな利点の一つは、高い印刷解像度により最高精度の部品を製造できることです。この特徴は、将来の月面基地の用途範囲の拡大や部品製造において、大きな強みとなる可能性があります。
月のレゴリスはどこにでもある
火星には、地表下物質である火星レゴリスと呼ばれる物質もあります。現在、国際宇宙機関はこの物質を回収できていませんが、科学者たちは特定の航空宇宙プロジェクトにおけるその可能性を研究し続けています。研究者たちは、この物質の模擬標本を用いて、チタン合金と組み合わせることで、工具やロケット部品を製造しています。初期の研究では、この物質はより高い強度を提供し、機器を錆や放射線による損傷から保護することが示されています。これら2つの物質は類似した特性を持っていますが、最もよく試験されているのは月のレゴリスです。もう一つの利点は、これらの物質は地球から原材料を輸送する必要がなく、現地で製造できることです。さらに、レゴリスは無尽蔵の資源であるため、資源不足を防ぐのにも役立ちます。
航空宇宙産業における3Dプリント技術の応用
航空宇宙産業における3Dプリンティング技術の応用は、使用される具体的なプロセスによって異なります。例えば、レーザー粉末床溶融結合（L-PBF）法は、ツールシステムや宇宙用スペアパーツといった複雑な短期部品の製造に使用できます。カリフォルニアに拠点を置くスタートアップ企業であるLauncherは、Velo3Dのサファイア金属3Dプリンティング技術を用いてE-2液体ロケットエンジンの性能向上を図りました。この製造プロセスは、LOX（液体酸素）を加速して燃焼室に送り込む上で重要な役割を果たす誘導タービンの製造に使用されました。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用いて印刷され、組み立てられました。この革新的な部品は、ロケットの流体の流れと推力を向上させるため、エンジンの不可欠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 技術の活用に貢献しました。
積層造形は、小型構造物から大型構造物まで、幅広い用途に応用できます。例えば、Relativity Space社のStargateソリューションのような3Dプリンティング技術は、ロケット燃料タンクやプロペラブレードといった大型部品の製造に活用できます。Relativity Space社は、数メートルに及ぶ燃料タンクを含むほぼ完全な3Dプリントロケット「Terran 1」の製造成功によって、このことを実証しました。2023年3月23日の初打ち上げは、積層造形プロセスの効率性と信頼性を実証しました。
押し出し成形による3Dプリント技術は、PEEKなどの高性能材料を用いた部品の製造も可能にします。この熱可塑性プラスチックで作られた部品は既に宇宙で試験されており、UAEの月面探査ミッションの一環としてラシードローバーに搭載されました。この試験の目的は、PEEKの過酷な月面環境への耐性を評価することでした。試験が成功すれば、金属部品の破損や材料不足といった状況において、PEEKが金属部品の代替とな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を持つ可能性があります。
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として、従来の製造技術と比較して部品の最終的な外観が向上することが挙げられます。オーストリアの3DプリンターメーカーLithozのCEO、ヨハネス・ホーマ氏は、「この技術により部品が軽量化される」と述べています。設計の自由度が高いため、3Dプリント製品はより効率的で、必要な資源も少なくて済みます。これは、部品製造における環境への影響にプラスの影響を与えています。Relativity Spaceは、積層造形によって宇宙船の製造に必要な部品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個の部品が削減されました。さらに、この技術は製造速度においても大きな利点があり、ロケットは60日以内に完成しました。従来の方法では、ロケットの製造には数年かかることもありました。
資源管理の観点から見ると、3Dプリンティングは材料を節約し、場合によっては廃棄物のリサイクルも可能にします。最後に、積層造形はロケットの離陸重量を軽減する上で貴重な資産となる可能性があります。目標は、レゴリスなどの現地の材料を最大限に活用し、宇宙船内での材料輸送を最小限に抑えることです。これにより、3Dプリンターのみを持ち運ぶことが可能になり、宇宙旅行後にその場ですべての材料を製造できるようになります。
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っています。
宇宙における3Dプリントの限界
3Dプリンティングには多くの利点があるものの、この技術はまだ比較的新しいため、限界もあります。アドヴェニット・マカヤ氏は、「航空宇宙産業における積層造形の主な課題の一つは、プロセス管理と検証です」と述べています。メーカーは検証前に実験室に入り、各部品の強度、信頼性、微細構造を試験することができます。このプロセスは非破壊検査（NDT）と呼ばれます。しかし、これは時間と費用がかかるため、最終的な目標はこれらの試験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部品の迅速な認証に焦点を当てたセンターを設立しました。このセンターは、デジタルツインを用いて製品のコンピュータモデルを改良することを目指しており、これによりエンジニアは部品の性能と限界、例えば破損するまでの圧力などをより深く理解できるようになります。これにより、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を促進し、従来の製造技術との競争力を高めることを期待しています。
これらのコンポーネントは、包括的な信頼性および強度テストを受けています。
一方、宇宙で製造を行う場合、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ります」と説明します。この方法は、印刷された製品が適切で、そうでないものを判断するのに役立ちます。さらに、宇宙用3Dプリンターには自己修正システムがあり、金属加工機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、部品の欠陥を修正するためにパラメータを自動的に修正します。これら2つのシステムにより、宇宙での印刷製品の信頼性が向上することが期待されています。
NASAとESAは、3Dプリントソリューションの検証のために標準規格を策定しました。これらの標準規格には、部品の信頼性を判断するための一連の試験が含まれています。彼らは粉末床溶融結合技術を考慮し、他のプロセスにも適用できるよう更新を進めています。また、Arkema、BASF、Dupont、Sabicといった材料業界の大手企業も、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、地球上ではこの技術を使って家を建てるプロジェクトが数多く成功しています。このことから、近い将来、あるいは遠い将来、このプロセスが宇宙に居住可能な構造物を建てるために使われるのではないかと考えさせられます。宇宙での生活は今のところ非現実的ですが、特に月面での住宅建設は、宇宙ミッションを遂行する宇宙飛行士にとって有益となる可能性があります。欧州宇宙機関（ESA）の目標は、宇宙飛行士を放射線から守るための壁やレンガの建設に使用できる月のレゴリスを使って月にドームを建設することです。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、この材料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不可欠な材料です。
NASAは、月面に構造物を建設するための3Dプリントシステムの開発のため、ICON社に5,720万ドルの助成金を交付しました。また、同社と共同で、火星デューンアルファ居住施設の建設を進めています。その目的は、ボランティアに1年間居住してもらうことで、赤い惑星の環境を模擬し、火星での生活環境をテストすることです。これらの取り組みは、月や火星に3Dプリント構造物を直接建設するための重要な一歩であり、最終的には人類の宇宙移住への道を開く可能性があります。
遠い将来、これらの家は宇宙での生命の生存を可能にするかもしれません。
投稿日時: 2023年6月14日
