3Dプリンティングロケット：積層造形が宇宙船生産に革命をもたらす

3Dプリンティングは、特にロケットにおいて、宇宙船製造のゴートゥ技術になりつつあります。 スタートアップから既存の航空宇宙大手まで、積層造形を活用し、優れた性能、低コスト、市場投入までの時間短縮を実現するロケットコンポーネントを製造しています。

Application Spotlightシリーズの今回は、個々のロケット部品とロケット全体の両方における3Dプリンティングの具体的なメリットを検証します。

シリーズの他のアプリケーション:

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• ベアリングへの3Dプリンティング活用
• 自転車製造への3Dプリンティング活用
• デジタル歯科・クリアアライナーへの3Dプリンティング活用
• 医療用インプラントへの3Dプリンティング活用
• フットウェア製造への3Dプリンティング活用
• 電子部品への3Dプリンティング活用
• 鉄道業界への3Dプリンティング活用
• 3Dプリント眼鏡
• 最終部品生産への3Dプリンティング活用
• ブラケットへの3Dプリンティング活用
• タービン部品への3Dプリンティング活用
• 油圧コンポーネントの性能向上に3Dプリンティングがどう貢献するか
• 原子力産業のイノベーションを3Dプリンティングがどう支えるか

なぜ3Dプリンティングがロケットコンポーネント製造を変革するのか

衛星をより効率的に打ち上げるための世界的競争が、宇宙船メーカーに開発サイクルの加速、コスト削減、効率向上を迫っています。燃焼室などの主要エンジン部品の従来製造は、10〜14ヶ月かかり、複数の鋳造、鍛造、機械加工工程を伴います。これらのプロセスは労働集約的、高コスト、設計複雑性を制限します。

対照的に、3Dプリンティングは完全な燃焼室をわずか数週間で製造でき、リードタイムとコストを劇的に削減します。積層造形の精度と汎用性により、従来の工具では不可能な複雑な形状の設計が可能になります。例えば、燃焼温度を100°F（38°C）以下に保つ複雑な内部冷却チャネルなどです。

ロケット製造を牽引する積層技術

ほとんどの航空宇宙企業は現在、レーザー式金属3Dプリンティング、主に選択的レーザー溶融（SLM）に依存しています。SLMは、微調整されたレーザーで金属粉末層を融合させ、層厚20µmまで、チタンからニッケルまでの高性能合金に対応。インジェクター、ノズル、ポンプ、バルブなどの小型複雑部品に最適です。

より大型のコンポーネントには、指向性エネルギー堆積（DED）が好まれます。DEDプリンターは、材料（粉末またはワイヤー）を堆積と同時に溶融し、直径2.7m、高さ4.5mに達する密度の高いニアネットシェイプ部品を作成します。

ロケットにおける3Dプリンティングの主なメリット

迅速な反復

積層造形の最大の利点の一つは、設計反復の速さです。「積層造形では、従来のビルド1回分の前に5回反復しても、コストを節約できます」と、EOS北米航空宇宙ビジネス開発マネージャーのScott Killian氏は言います。工具を排除することで、エンジニアはCADファイルを調整し、数週間ではなく数時間で新しい部品を生成できます。

設計の自由度

従来の機械加工では、現代の燃焼室が必要とする複雑なラティス状冷却チャネルに対応できません。3Dプリンティングなら、これらのチャネルを燃焼室内部に一度のプリントで織り込め、組み立て工程を削減し、熱性能を向上させます。

生産コストの削減

エンジンは打ち上げ機体コストの最大40%を占めます。積層造形は生産工程数を削減し、高価な工具を排除し、労働力を減らします。例えば、OrbexはSLMでPrimeランチャー用エンジンを3Dプリントし、CNC加工比でターンアラウンドタイムを90%、コストを50%削減しました。

SpaceXはDracoとSuper-DracoスラスターにSLMを採用し、Inconel燃焼室を製造。より軽量、より強靭、より安価な製造を実現しています。Musk氏は「3Dプリンティングにより、従来手法のコストと時間のわずかな部分で、堅牢で高性能なエンジン部品が可能になる」と述べています。

組み立ての簡素化

かつて数十の機械加工と溶接工程を必要とした複雑な部品が、今ではモノリシックコンポーネントとしてプリントできます。ドイツ航空宇宙センター（DLR）は、単一プリントで10%軽量化したインジェクターヘッドを製造し、30のファスナーポイントを排除、故障リスクを低減。EOSはアリアン6インジェクターヘッドを248部品から1つに再設計し、コストを半減、リードタイムを3分の1に短縮しました。

ケーススタディ

Rocket Labの3DプリントRutherfordエンジン

Rocket LabのElectron打ち上げ機は、電子ビーム溶融（EBM）で製造された9基のRutherford液体推進エンジンに依存しています。2013年以来、燃焼室、インジェクター、ポンプ、バルブなど主要エンジンコンポーネントすべてをプリントし、3Dプリントエンジン100基のマイルストーンを達成、4機の衛星を軌道に投入する実績を持っています。

ロケット全体を3Dプリント：Relativity Space

Relativity Spaceは、Terranロケットで包絡を押し広げており、95%が3Dプリント部品となります。同社独自のStargateプリンターは、世界最大級のDEDマシンの一つで、直径2.7m、高さ4.5mまでのコンポーネントをプリント可能。主要燃料タンクと大型構造要素すべてをカバーします。

ロケットのほぼ全体をプリントすることで、Relativityは質量削減、打ち上げコスト削減、ペイロード能力向上を期待しています。また、迅速な設計・プリントワークフローにより、原材料から飛行可能車両までのビルドサイクルを2ヶ月未満に短縮する計画です。

航空宇宙における積層造形の未来

3Dプリンティングは、ロケットエンジンの概念化、構築、反復の方法を再構築しました。エンジン部品でコスト効率が実証されている一方、完全3Dプリント打ち上げ機体へのポテンシャルは依然として未開拓です。工具要件が縮小し、材料科学が進歩するにつれ、積層造形は次世代宇宙船の基盤となり、より速いイノベーションと宇宙へのより効率的なアクセスを可能にするでしょう。

次回の記事では、3Dプリンティングがフットウェア業界に与える影響を探ります。