航空宇宙技術の分野では、極超音速で車両に動力を供給できる推進システムの開発競争がかつてないほど熾烈になっています。 マッハ 5 以上の速度として定義される極超音速飛行は、3D プリンティングと最先端素材の融合の少なからずおかげで、今や私たちの手の届くところまで来ています。
このブログでは、Velo3D、Lockheed Martin、Vibrant が国防総省の LIFT Institute と協力して、積層造形航空宇宙システムに不可欠な材料と方法を認証するためのデータ駆動型アプローチを開拓した魅力的なケーススタディを詳しく掘り下げます。
プロジェクトの開始から材料科学の複雑な詳細に至るまで、この注目すべきパートナーシップは航空宇宙工学の新時代への道を切り開いています。
極超音速飛行の緊急性
航空宇宙用途、特に防衛産業における進歩に対する需要は、かつてないほど高まっています。 世界の競合企業は、超音速および極超音速の速度で航空システムに動力を供給できる推進システムの開発に努め、航空宇宙技術の新時代を切り開いています。 この取り組みにより、革新的な製造方法への扉が開かれました。
この技術革命の最前線にあるのが 3D プリンティングです。
3D プリンティング: 航空宇宙製造の変革
3D プリンティングは、航空宇宙製造における革新的なテクノロジーとして登場しました。 これにより、従来の製造方法と比較して軽量なだけでなく、より迅速に製造できる複雑な一体型エンジン設計を作成することができます。
さらに、材料開発は 3D プリンティングと並行して進化しており、特に積層造形 (AM) システム向けに調整された高性能金属合金の認証に重点が置かれています。
米国国防総省の役割
航空宇宙の目標を達成するにはプロトタイピングが引き続き不可欠である一方で、米国国防総省 (DoD) は、材料科学と製造の深い調査から始めて、AM への包括的なアプローチに着手しました。
この取り組みにおいて、国防総省はミシガン州デトロイトにある非営利の官民協力団体である LIFT と提携しました。 LIFT は、American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute の中心人物として活動しており、研究から商品化まで技術進歩の最前線に立っています。
LIFT: イノベーションの灯台
LIFT は官民パートナーシップの模範的なモデルであり、国防総省、産業界、学術界の利益の橋渡しをします。 100,000 平方フィートの広大な施設内で運営されている LIFT は、新興テクノロジーを商用アプリケーションに拡張することに専念しています。 その無数のプロジェクトの中でも、国防総省の製造技術プログラムによって資金提供されている「極超音速チャレンジ」は重要な位置を占めています。 この挑戦の目的は、極超音速飛行可能な車両やミサイルを効率的に実現できる材料と製造プロセスを特定することです。
LIFT のエンジニアリング ディレクターである John Keogh 博士は、材料および ICME 担当ディレクターの Amberlee Haselhuhn 博士とともに、この取り組みにおいて中心的な役割を果たしています。
テクニカル リードの John Keogh 氏とプロジェクト マネージャーの Brad Friend 氏が、LIFT Hypersonic Challenge の 3D プリントされたラムジェットの切断部分を保持しています。 このプロジェクトは、ミシガン州デトロイトにある American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute の 100,000 平方フィートの施設を中心に行われました。 画像提供：LIFT。
3D プリントの飛躍: Ramjet プロジェクト
画期的な取り組みとして、LIFT、ロッキード・マーチン、およびバイブラントは力を合わせて、 3D プリントされたラムジェット エンジン。 プロジェクトの主な目標は、レーザー粉末床融合 (LPBF) 印刷プロセス中にどのようなデータが収集できるか、またそのデータを極超音速飛行用のコンポーネントの認証にどのように利用できるかを確認することでした。 このアプローチは、部品検証の従来の統計的手法からの脱却を示し、代わりに認証のためのリアルタイム データ ストリームに焦点を当てました。
ラムジェット プロジェクトに選ばれた LPBF システムは Velo3D でした Sapphire 1 MZ は、高さ XNUMX メートルまでのオブジェクトを印刷できることで有名です。
各 Sapphire システムには数百のセンサーが装備されており、印刷プロセス中に包括的なリアルタイム データを提供します。 Velo3D のテクノロジーは、膨大な量のデータを収集するだけでなく、大量生産に最適な優れたビルド エンベロープも誇ります。
教室での割り当てから航空宇宙のブレークスルーまで
ラムジェットのデザインの起源は、航空宇宙工学を推進する革新的な精神の証です。 パデュー大学の航空宇宙工学の学部生が教室での課題として考案したラムジェットの設計は、複雑なエンジン部品を単一の 3D プリント構造に統合することを目的としていました。
ジェイ・ブレイクの設計は、ラムジェットの入口スパイクをターボジェットに組み込んで、燃料の燃焼効率を高める熱交換器として機能させることを想定していました。 彼の宿題プロジェクトは、SR-58 ブラックバード (71 年 2023 月現在、最速のマッハ 1976 超音速空気呼吸有人航空機として 3.2 年の記録を保持している) で使用されている J-3 ターボジェットからインスピレーションを受けました。 数年後、Blake が VeloXNUMXD で働き始めたときにこのデザインが再び浮上し、彼のビジョンが現実になるかもしれないという認識につながりました。
クリエイターと創造の出会い: 元工学部学生の Jay Blake は、現在 Velo3D の航空宇宙アプリケーション チームに所属し、3D プリント後にラムジェットを洗浄しています。 彼は学部コースの課題の一部としてそのオリジナルのデザインを思いつきました。 画像提供：Velo3D
ロッキード・マーチン社の関心と適応
著名な航空宇宙メーカーであり、Velo3D の顧客でもあるロッキード マーティンは、3D プリントによるラムジェット プロジェクトに強い関心を示しました。
North Star Imaging の革新的なテクノロジーは、部品を破壊することなく部品の内部形状を検証するのに役立ちます。 同社の 3D コンピュータ断層撮影 (CT) X 線検査サービスは、最先端の X 線検査技術を使用して、部品の内部と外部の最も鮮明な画像を提供し、評価エラーを事実上排除します。 ここに示されているスキャンは、固体表面、スライス、および内部表面です。
ロッキード・マーティンは、Velo3D および LIFT と協力して、特定用途向けの金属 AM の開発段階と、この目的に使用される材料の精度に関するチームの研究を支援しました。 Blake の設計は、ITAR で管理された形状から自由であり、AM の理想的な例として機能しました。 これにより、ITAR や輸出規制の制約を受けることなく、冶金、構造、3D プリンティング プロセスの包括的な評価が可能になりました。
当初の設計は超音速エンジンを対象としていましたが、ロッキード・マーチンは極超音速を達成できるスクラムジェット エンジンへの適応の可能性を認識しました。 このコラボレーションは、ミッションクリティカルなアプリケーション向けの金属 AM の成熟度を評価し、材料の忠実性を精査するための準備を整えました。
共振試験による品質保証
3D プリントされたラムジェット コンポーネントの品質と完全性を評価するために、チームは Vibrant のプロセス補償共鳴試験 (PCRT) を採用しました。 PCRT は、超音波周波数を使用して部品の振動モードを励起し、形状と材料特性に基づいた固有の共振周波数を記録します。 この非破壊的なアプローチは、内部亀裂、気孔、表面欠陥の特定に効果的であることが証明され、コンポーネントの品質に関する貴重な洞察が得られます。
データドリブン認証と今後の展望
ラムジェット プロジェクトの成功は、積層造形認証における新時代の到来を告げます。 印刷プロセス中に収集されたデータは、パーツの品質を客観的に表すものとして機能し、ビルド後のデータとデータ ストリームをリンクする予測モデルへの道を開きます。
機械学習とデータ融合技術は、品質の兆候を識別する上で極めて重要な役割を果たし、より効率的な認証プロセスを可能にすることが期待されています。 プロジェクトが次の段階に入ると、疲労挙動が重要な焦点となり、最終目標は「生まれながらに認定された」極超音速コンポーネントを製造することになります。
「生まれながらに認定された」極超音速コンポーネントへの道
Velo3D、ロッキード・マーチン、および LIFT Institute における Vibrant のコラボレーションは、航空宇宙工学における革新の先駆けとなっています。 3D プリンティング、データ駆動型認証、最先端の素材の力を活用することで、このパートナーシップは極超音速飛行の可能性の限界を押し広げています。
今後に目を向けると、「生まれながらに認定された」コンポーネントの見通しと学部生の才能の継続的な関与は、航空宇宙技術の明るい未来を示唆しています。
空を限界として、地平線上でのさらなる飛躍が期待できます。
