飛行ハードウェアに革命を起こす:軌道上で 3D プリントされた航空宇宙コンポーネント
軌道上での航空宇宙積層造形:飛行用の 3D プリント衛星のエンジニアリング
何十年もの間、航空宇宙製造はアルミニウム、チタン、そして長いリードタイムによって定義されてきました。構造コンポーネントは、スピードよりも確実性を優先したプロセスを通じて、機械加工、固定、検査、組み立てが行われました。
では、積層造形がハードウェアのプロトタイプを作成するだけでなく、軌道上を飛行すると何が起こるでしょうか?
元NASAの科学者トニー・ボスキとサイダス・スペースのチームが、SpaceXのトランスポーター9ミッションで打ち上げられるように設計された部分的に3Dプリントされた衛星であるLizzieSatの構築に着手したときに、まさにそれが起こった。
その過程で彼らが証明したことは、すべてのエンジニアリング リーダーが注目すべきことです。
航空宇宙積層造形はもはや実験的なものではありません。動作可能です。
Sidus Space の Tony Boschi 氏は、連続カーボンファイバー 3D プリンティングと Markforged 材料がどのようにして、多産業ミッション向けに設計された部分的に 3D プリンティングされた衛星 LizzieSat の開発を可能にしたのかについて説明します。
工学的制約:100 キログラム、それ以上はだめ
LizzieSat は、衛星全体の重量が 100 kg 未満でなければならないという厳しい質量制限のもとで設計されました。
航空宇宙エンジニアにとって、その数字はすぐに問題を定義します。
バッテリーは質量を消費します。フライトコンピューターは質量を消費します。ペイロード システムは質量を消費します。電力システムは質量を消費します。
多くの場合、構造には軽量化の機会が残されていますが、構造も存続する必要があります。
- 5G 起動時の負荷
- 太陽光線への曝露
- 温度変動が 200°C (300°F) に近づく
- 複数年の軌道寿命
打ち上げ中は重力が増大します。 5 ポンドの内部コンポーネントの重量は、5G では実質 25 ポンドになります。 100 ポンドの構造物には 500 ポンドの力がかかります。この荷重ケースだけでも、多くの材料が考慮から除外されます。
Sidus チームは、単一目的の宇宙船を構築しようとしていたわけではありません。彼らは、複数の顧客、業界、ミッション タイプをサポートできる柔軟な衛星バス プラットフォームを構想していました。 LizzieSat は、数十の特殊な衛星を打ち上げる代わりに、さまざまなペイロードに適応できます。
その柔軟性には、軽量で強度があり、迅速に反復され、正確に製造された構造システムが必要でした。従来の機械加工では、十分な速さでそこに到達することはできませんでした。
航空宇宙積層造形が方程式を変えた理由
従来のアルミニウム製造では、設計変更により摩擦が生じます。エンジニアリングのリビジョンをリリースする必要があります。部品を再加工する必要があります。組み立てのやり直しが必要になる場合があります。リードタイムが伸びる。
ボスキには、イノベーションのスピードでデザインするという別の目標がありました。
Sidus は、Markforged X7 を使用して、連続炭素繊維で強化された構造コンポーネントの製造を開始しました。これは化粧品のプロトタイピングではなく、構造ハードウェアでした。
継続的なカーボンファイバー強化により、アルミニウムに匹敵する強度を実現しながら、重量を大幅に削減します。さらに重要なのは、形状がサブトラクティブ マニュファクチャリングによる制約を受けなくなったことです。
設計が変更された場合でも、実装には数週間かかりませんでした。
1日かかりました。
ボスキ氏は違いを明確に説明しています。何かが変更された場合、チームは新しい構造コンポーネントを再印刷し、すぐに統合できます。厳しい商用タイムラインで運用されている衛星プログラムにとって、その速度は利便性ではなく、競争上の利点です。
これは航空宇宙積層造形が提供するロック解除であり、ペナルティのない反復です。
スペースに関する資格に関する質問
積層造形を評価するエンジニアは、必ず同じ質問をします。
宇宙でも生き残れるのか？
サイダスはその質問に仮定ではなくデータで答えました。チームは、国際宇宙ステーションに送られる実験構造物である飛行試験プラットフォームを開発するための助成金を受け取りました。彼らは、Markforged Onyx を使用してサンプル ホルダーのプロトタイプを迅速に作成し、実験に統合しました。
当初の計画では、軌道上で約 15 週間の曝露が必要でした。その代わり、部品は 1 年間 ISS の外に放置されました。
宇宙では、材料は容赦ないストレスにさらされます。直射日光はポリマーを劣化させます。温度サイクルにより、材料は極端な膨張と収縮を経ます。真空状態では弱点が露呈します。
サンプルが地球に持ち帰られたとき、一部の物質には目に見える劣化が見られました。
オニキスの部分はそうではありませんでした。
ボスキ氏によると、宇宙で 1 年間過ごした部品と機械で新たに印刷された部品との間には、測定可能な違いはありませんでした。構造上の妥協はありません。表面の破壊はありません。予期しない物質的な動作はありません。
航空宇宙積層造形の場合、この種の実世界での検証はどんなデータシートよりも重要です。これは、適切に設計された複合 3D プリント部品が軌道上でも存続できることを実証しました。
その検証は現在、テスト プラットフォームを超えて拡張されています。 2024 年以来 3 機の LizzieSat が打ち上げに成功し、軌道上で運用されているため、付加的な構造コンポーネントは実験的な曝露試験から飛行実証済みの衛星アーキテクチャに移行しています。
新しい構造設計を可能にする精度
衛星の質量に最も見落とされている要因の 1 つは、ハードウェア、特に留め具です。
ボスキのチームは、「ネジを完全に取り外せたらどうなるだろうか?」という単純な質問をし始めました。
付加的な設計の自由度を利用して、精密なインターロック締結機能を構造コンポーネントに直接設計しました。部品は所定の位置にスライドし、紙の厚さを 3 で割った値よりも小さい 10,000 分の 1 インチ以内の公差でロックされます。
これらの形状は、従来の方法で機械加工するのは不可能ではないにしても、非常に困難です。しかし、産業用 3D プリンターによる連続ファイバー 3D プリンティングでは、再現性と信頼性が高くなります。
不必要なハードウェアを排除し、構造自体に締結機能を統合することで、チームは打ち上げ荷重下でも構造の完全性を維持しながら質量を削減しました。
これは段階的な改善ではなく、積層造形によって可能になる構造的な再考です。
航空宇宙材料の要件を満たす:難燃性とトレーサビリティ
航空宇宙では強度だけでは十分ではありません。材料のトレーサビリティとコンプライアンスは、特に防衛、政府、商業宇宙プログラムにとって不可欠です。
Sidus は、難燃性材料である Onyx FR と、材料の完全なトレーサビリティを追加する Onyx FR-A を使用した構造コンポーネントの印刷に移行しました。 「A」指定により、多くの航空宇宙品質システムの要件である、生産元に遡ってバッチレベルで追跡することができます。
亀裂やせん断イベントが発生した場合、エンジニアは材料の系統を追跡し、根本原因を分析し、是正措置を講じることができます。このレベルの説明責任により、積層造形は航空宇宙レベルの期待と一致します。
コンプライアンスと認証を担当する技術管理者にとって、これは多くの場合、構造用途に積層造形を採用する際の欠けている部分です。
Markforged はそのギャップを埋めます。
プロトタイプではなくプラットフォームとしての 3D プリント衛星
LizzieSat は 5 年間のミッション寿命を想定して設計されています。この寿命の長さは、衛星の電子機器だけでなく、その構造的完全性に対する信頼を反映しています。
より広い意味は、これが 3D プリントされた衛星であるということだけではありません。
それは、航空宇宙積層造形により、複数の業界や顧客にサービスを提供できるモジュール式プラットフォームの作成が可能になったことです。サイダスは、ミッションごとに特注の宇宙船を構築するのではなく、柔軟なアーキテクチャを作成しました。
この種の拡張性は、急速に進化する商業宇宙市場において非常に重要です。
また、産業用 3D プリンタからの複合 3D プリントを使用して構築、テスト、発売、検証が行われました。
これがエンジニアリング リーダーにとって何を意味するか
多くのエンジニアリング チームは依然として積層造形をプロトタイピング ツールとして捉えています。治具、治具、またはコンセプト モデル用のもの。
LizzieSat は、まったく別のことを示しています。
航空宇宙 3D プリントでは次のことが可能です。
- 構造質量を減らす
- 機械加工が不可能なジオメトリを有効にする
- 一体化された留め具によりハードウェアを排除
- 設計の反復サイクルを加速する
- 防火要件とトレーサビリティ要件を満たす
- 宇宙にさらされて 1 年間生き残る
高度な製造チームを運営する技術マネージャーにとって、もはや問題は添加剤が航空宇宙で機能するかどうかではありません。
それは、競合他社がすでにそれを使用して、より速く行動しているかどうかです。
航空宇宙ロードマップに相加性がどのように適合するかを評価している場合は、Markforged が航空、宇宙、防衛分野のミッションクリティカルなアプリケーションをどのようにサポートしているかを調べてください。
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