3Dプリンターの技術進化は、宇宙産業にも波及している

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[Publisher] Space

この記事はSpaceのAilsa Harveyが執筆し、Industry Diveパブリッシャーネットワークを通じてライセンスされたものです。ライセンスに関するお問い合わせはlegal@industrydive.comにお願いいたします。 

3Dプリンターによる金属部品加工(金属3Dプリント)は、燃焼しにくい素材を使いながら、最も複雑な形状とも言えるロケット部品も製造できます。3Dプリンター自体はもはや新しいテクノロジーではありませんが、より過酷な宇宙環境に対応するため、どのような進化を果たしているのでしょうか。最新の状況を見てみましょう。

プラスチックから金属へ

1980年代に世界初の3Dプリンターが登場して以来、その用途は広がり続けています。Live Scienceによると、当初は認知度が低く一般には普及していなかったものの、21世紀に入ってにわかに注目を集めるようになったそうです。初期の3Dプリンターは、試作品をスピーディーに製作するために使われており、使用できるフィラメントもプラスチックに限られていました。プラスチック(樹脂)は柔軟性が高く、加熱すると軟化して簡単に成形できるため、3Dプリンターでは最も扱いやすい素材です。 

金属の場合、常温では液体化してプリントするのに不向きです。しかし、現在の機械ではこれが可能になっています。金属で小さな形を作る際は、切削加工と比べて3Dプリンターの方がはるかに早いです。『プラスチック工学入門』(2018年)という書籍によると、切削加工は金属の塊を削り込む「引き算」のプロセスであり、コストと時間がかかります。これに対して3Dプリンターは、精度の高い造形寸法を最初から決め、三次元でレイヤーを重ねていく「足し算」のプロセスです。 

金属を用いた3Dプリンティングは、プリント方法によっては他の素材よりも手順が多くなる場合があります。SLS(selective metal sintering:選択的レーザー焼結)という手法では、金属をプラスチック樹脂と結合させてプリントします。つまり、プラスチック樹脂の場合と同じ感覚でプリントができるのです。違いを挙げるならば、機械から取り出した時には、まだ完全な金属の造形物になっていないこと。さらに、プリントした部品を強化し、不要なプラスチックを除去する工程が入ります。

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宇宙への応用

3Dプリンターによる金属部品加工は、ロケットの金属部品などの宇宙用の製造を担当するエンジニアに支持されています。ロケットエンジンは超高温に耐える必要があるため、インコネル銅超合金の粉末が頻繁に使用されます。インコネルは、優れた耐食性と耐酸化性が認められている特殊な超合金です。 

宇宙用途には、金属フィラメントにプラスチックを組み込むのではなく、DMLS(Direct Metal Laser Sintering:ダイレクトメタルレーザー焼結)という手法が適しています。緻密なロケット部品を作るには、細かい金属粉末を何層にも重ねていき、このとき、金属粉末の上にレーザーを照射します。デジタルで作成した造形物のデータをレーザーで正確にトレースし、金属を加熱して結合させるのです。周囲の金属粉末に造形物が沈むまで、この作業を各層ごとに繰り返します。 

近い将来、ロケットで装置を運ぶのではなく宇宙で金属3Dプリントを行い、必要な部品や工具を作れるようになるかもしれません。そうなれば修理用の交換部品を受け取るまでの時間が短縮され、修理部品を地球から国際宇宙ステーション (ISS) まで運搬するコストも削減されます。NASAは現在、低重力下での金属3Dプリントの研究開発に資金を提供しています。宇宙空間での製造に成功すれば、将来的には月面に基地を制作することも可能になるでしょう。    

参考資料

宇宙での金属3Dプリントの次なる展開はどうなるのでしょうか? 宇宙空間における自律型3Dプリントの進歩については、NASAの記事で紹介されています。また、3Dプリントが宇宙ステーション研究にどのように役立っているかについても、詳しく学んでみましょう。

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