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宇宙・航空分野の製造プロセスで求められるミクロン単位の精度や厳格な品質管理。その課題解決に3Dプリンターが果たす役割とは？この記事では、宇宙・航空分野の具体的な事例を通じて、3Dプリンターの導入がどのように製品精度を向上させ、コスト削減を実現するかを探ります。
将来宇宙輸送システムが日本で初めて「トリプロペラント方式」の燃焼試験に成功しました（2023年12月19日～20日）。これは水素、メタン、酸素の3種類の推進剤を使用する技術です。この試験には3Dプリンターが大いに役立ちました。
試験機体の設計には3Dプリンターを使用し、製造期間と費用を大幅に圧縮しました。情報を集約しクラウド上で管理することで、わずか3か月で試験の実施に成功。この迅速な対応力が試験成功の鍵となりました。
3Dプリンターの導入により、試験機体の設計から製造までのリードタイムが大幅に短縮されました。また、試験結果の集約がスムーズに行われ、「P4SD」の有効性も確認されました。高頻度の実験を可能にし、再使用型宇宙輸送機の開発が加速しています。
NASAとElementum 3Dが共同で、3Dプリンター技術を駆使してアルミニウム合金製の新型ロケットエンジンノズルを開発。新素材「6061-RAM2」を用いて、従来のアルミニウムの欠点を克服し、高温耐性と軽量化を実現しました。
「6061-RAM2」は高い耐熱性を持ち、極端な温度でも機能を維持する冷却チャンネルを内部に備えています。この技術により、3Dプリンターで千個以上の部品を一つの部品として迅速に製造できるようになり、製造工程の効率化とコスト削減が可能となりました。
新型ノズルの開発により、NASAの深宇宙探査ミッションでのロケットの運搬能力が向上しました。3Dプリンター技術の採用によって、軽量で高耐熱性の部品が実現し、長期間の宇宙ミッションや遠距離探査における重要な要素となっています。製造コストの削減と短納期の実現は、航空宇宙業界の発展に寄与しています。
GE Aviationのシンガポール工場では、メンテナンス・修理・オーバーホール（MRO）に3Dプリンター技術を利用しています。こちらは「3Dプリンターを用いるMRO施設」として承認されました。
HPC（高圧圧縮機）ブレードの修理には3Dプリンターが活用されています。まず、ブレード形状の3Dマッピングと画像分析を行い、続いて3Dプリンターで新しいブレードを製造します。修理箇所の部品製造に必要な資源と時間を削減できます。
GE Aviationは3Dプリンターの導入により、修理プロセスの効率化と生産性の向上を達成しました。従業員が1日に修理できる部品が2倍になり、必要な機器やスペースも大幅に削減。その結果、必要な床面積は2/3に削減されました。
この技術は持続可能性にも貢献し、より少ない廃棄物とエネルギーで修理工程を行えます。
宇宙・航空製造における3Dプリンターの活用は、技術革新と効率化に大きく貢献しています。将来宇宙輸送システムの「トリプロペラント方式」燃焼試験では、短期間で試験機体の製造が可能になりました。NASAとElementum 3Dが共同開発した新型ロケットノズルは、軽量で高い耐熱性を持つ部品の実現に成功。
GE AviationのMRO分野では、3Dプリンターによる修理プロセスの効率化と持続可能性の向上が達成されています。これらの事例は、3Dプリンター技術が宇宙・航空業界で生産性向上、コスト削減、技術進化に重要な役割を果たしていると示しています。今後もこの技術の活用は拡大し、業界の未来を形作る基盤となるでしょう。
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製造を加速する
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Q. 航空宇宙向けの部品なら、3Dプリント後にどんな確認が必要ですか？
A.
造形しただけでは実機への採用は決められません。
材料・造形条件・後処理の記録に加え、用途に応じた寸法、内部欠陥、強度などの検査計画が必要です。適用する規格と承認手順は、部品の責任主体と早い段階で確認してください。 同じ形状でも、地上設備用と飛行に関わる部品では求められる証拠が変わります。試験片だけでなく実部品の重要部位をどの方法で検査するかまで、設計・製造・品質部門で合意しておきます。
Q. ロケットの複雑な流路は、一体造形すれば必ず有利ですか？
A.
一体化の効果は、検査と後処理が成立する場合に限られます。
内部流路の残粉除去、表面状態、漏れ試験まで設計段階で考えます。分割製造と比べて、重量だけでなく品質確認の工数も評価してください。 曲がった流路は造形できても、内部の粉を出し切れなければ使えません。排粉口の位置、工具や検査手段の届き方、封止方法を設計図に示し、試作で除去と漏れの両方を確かめます。
次は、排粉と内部検査を実施できる形状かを試作で確かめてから、一体化の効果を評価します。
Q. 航空宇宙分野で導入を試すなら、どの部品から始めるべきですか？
A.
まずは地上用の治具や組立確認用模型など、要求を明確にしやすい用途を選びます。
実機部品を目指す場合も、小さな試験片で造形条件と材料特性を確かめ、段階的に適用範囲を広げる進め方が現実的です。 地上用治具なら寸法や作業性を測りやすく、工程記録の作り方も学べます。その結果を踏まえ、次に要求が厳しい部品へ進む前に材料試験と検査体制の不足を洗い出します。
外注待ちの長さ、ブレによるスピードの上げづらさ、大型・耐熱部品の作りにくさは、現場の生産性を下げます。 産業用（業務用）3Dプリンターを選ぶ際には、各課題解決に適した機能特徴を持つ製品を選ぶようにするとよいでしょう。ここでは、主な製造現場の課題別に、おすすめの製品を紹介します。
