3Dプリンタで製造した軽量で頑丈な部品が宇宙開発に貢献

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航空宇宙業界での3Dプリンタ活用例

アリゾナ砂漠を移動する白い車、これはNASAが開発したローバーと呼ばれるもので、温度差が激しく強風が吹き荒れる中で容赦ない地形を操縦しています。これらの厳しい条件に適うローバーを開発するために、火星の厳しい条件をシミュレートする環境下において、NASAの宇宙旅行士やエンジニアはローバーのテストドライブを行っています。右図は、砂漠研究技術調査車両で、自動車のハマー程大きい宇宙空間内で人間をサポートするためのキャビン(室内)を加圧したローバーをテストしています。最終的にNASAの目標の一つである火星の有人探査の役割を果たすことになっています。近い将来、同じような車両が、人間が地球近くの小惑星の調査を行うのに役立つかもしれません。ローバーは、人間の宇宙空間への活動範囲を広げるNASAのミッションにとって不可欠です。そのキャビンは、地球外の地表面を調査する数日間、一組の宇宙飛行士を収容することができます。6車軸上の12の頑丈な車輪が、不規則で未知の火星地形に挑みます。また、その前方に張り出したコックピットは、傾けることで観測バブルを地面に向けて低くなるよう配置することができます。

3Dプリントで製造された実装部品

このような頑強な特殊車両を設計するために、NASAのエンジニアは、数々の巧妙で高度な技術を導入しました。その一つが3Dプリンティングです。例えば、ローバーを構成する部品のうち約70個は、生産等級のStratasys 3D プリンタの高温のチャンバー内で、コンピュータ設計からデジタル的に直接造らています。熱溶解積層法(FDM)技術と呼ばれるプロセスや、積層造形によって、火星の地形や温度環境であっても十分耐久性のある複雑な形状が作製できます。 高度にカスタマイズした車両を少数構築し、別世界の過酷な環境にさらす場合、在庫部品や従来の製造方法では十分ではありません。NASAのローバーの3Dプリント部品には、難燃性のベントとハウジング、カメラマウント、大型ポッドドア、フロントバンパーとして機能する大型部品、多くのカスタム材料固定具があります。FDMは、そのひとつひとつの設計で柔軟性と迅速な対応を提供して、複雑な電子アセンブリの適合ハウジングを構築します。例えば、ローバーで使用されている耳状外装ハウジングは深く歪んでおり、機械加工するのは不可能で少なくとも法外に高価となりますが、3Dプリンティングにより低コストで製作することが出来ます。3Dプリントした部品について、NASAは、ABS、PCABS、ポリカーボネートマテリアルを使用しています。Stratasysが特許を取得しているFDMは、軽量でありながら、頑丈な最終用途部品として十分な耐久性のある生産等級の熱可塑性プラスチックをサポートする唯一の3Dプリント法です。

宇宙では破損はあってはならない

“いつも、可能な限り軽量化したいと思っていますが、それでも誰もが傷つくことのない安全係数が得られるよう十分な強度をもたせたいとも考えています。”と、NASAのテストエンジニアChris Chapman氏は述べています。人間の宇宙旅行に関するNASAの主張は「失敗は許されません」。宇宙旅行では地球からの打ち上げから始まり、車両が強烈なストレスにさらされます。“地球の大気圏から逃れるだけで時間当たり数千マイルの速度で出発します。そのため、宇宙に出るだけでこれらのあらゆる振動に対処することができなければならず、車両が破損することがあってはならないのです。
NASAのエンジニアはさらに、プロトタイプを3Dプリントして、最終的に別のマテリアルで構築する部品のフォーム、フィット、機能をテストします。これにより、機械加工した部品が、高価な金型を使用する前に課題を解決することで、可能な限り最高の設計に基づくことが保証できます。“誰もが対処するための予算を持っており、我々も例外ではありません。”と、Chapman氏は言います。毎日、NASAのエンジニアとそのデバイスは、予算や製造可能性などの実際的な問題と、ワークショップ、砂漠、そして最終的には他の惑星において、未知の世界の秘密を解き明かす人間の間のギャップを埋め合わせています。

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