NASAは大学の研究機関と協力してロケットノズルを3Dプリントします

RAMPTプロジェクト（高速分析および製造推進技術）は、NASA宇宙技術ミッションエージェンシーの下のゲーム変更プログラムによって資金提供されています。 これは、NASAマーシャル宇宙飛行センター、グレン研究センター、ラングレー研究センター、エイムズ研究センターの共同の取り組みに基づいています。

アディティブマニュファクチャリングは、複雑な内部機能を備えた精密コンポーネントであり（たとえば、従来のプロセスでは処理できなかった複雑な冷却チャネルを備えた液体ロケットエンジンのスラストチャンバー）、設計と製造の大きな機会をもたらします。最近、NASAはDM3Dとオーバーン大学との協力により、約2トンのロケットノズルの3Dプリントに成功しました。

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高さ281cmのロケットノズル

DM3Dは、ミシガン州に本社を置く指向性エネルギー堆積技術の分野の企業であり、オーバーン大学のNational Center of Excellence for Additive Manufacturingと協力して、NASAとの積層造形R＆Dプロジェクトを実施し、液体ロケットエンジンの性能を向上させています。



オーバーン大学とNASAは、積層造形研究の最前線にいます。約4年前、当時非常に大きく見えた約2フィートのサイズのノズルを印刷するときに、DM3Dの使用を開始しました。現在、RAMPTプロジェクトのサポートにより、印刷されるノズルの高さは以前の5倍になりました。これは、これまでで最大の3D印刷されたロケットエンジン部品の1つです。



約2トンの追加製造されたフルサイズRS25ノズルライナーの正確な寸法は、高さ111インチ（高さ281 cm）および直径96インチ（直径243 cm）です。従来の製造技術と比較して、巨大な部品は数ヶ月で製造され、処理時間は50％以上短縮されます。



DM3Dの使命は、不可能に挑戦することです。3D印刷システムの同軸ノズルには、そのような材料の溶融プールを保護するための部分的なアルゴンシールドが装備されています。部品の選択した位置にさまざまな材料を正確に追加できるため、機能特性を備えた多材料部品を製造できます。



DM3D独自の直接金属蒸着（DMD）技術は、DED直接エネルギー蒸着技術タイプのプロセスです。DM3Dは、1つのビルドで複数の材料を使用して中規模から大規模の部品を処理でき、製造速度が速いと言われています。



DED指向性エネルギー堆積3D印刷技術は、同軸粉末供給またはマルチノズル堆積ヘッドを使用して、粉末と不活性キャリアガスを部品の溶融プールに注入します。溶融池は、処理中の金属の酸化を最小限に抑えるために不活性ガスで保護された中央のレーザーエネルギー源によって生成されます。



3Dサイエンスバレーの理解によると、NASAはDM3Dと同様の官民パートナーシップを確立し、積層造形技術を通じて新しい方法を進歩させ、新しいプロセスを探求し、新しい材料と新しいコンポーネントを開発しています。目標は、将来のNASAミッションおよび商用宇宙アプリケーションに統合するための技術的準備のレベルを向上させることです。



NASAは業界パートナーと協力して、薄壁チャネルの設計を開発しました。この図では、DED指向性エネルギー蒸着3D印刷技術によって処理されたチャネルのいくつかの例を見ることができます。これらのチャネルは、可能な設計オプション、さまざまな加工パス戦略、および特定のプロセスジオメトリの制約を示しています。



RAMPTプロジェクトは、いくつかの高度な製造技術を統合して、完全に統合されたスラストチャンバーアセンブリを実現します。全体的なコンセプトは、コアとしてのGRCop銅合金燃焼室に基づいており、チャネル全体は、粉末床ベースの選択的レーザー溶融金属3D印刷技術によって製造されています。次に、DED技術を使用してマニホルド溶接ゾーンを堆積し、フロントマニホルドをチャンバーに溶接できるようにします。この操作と熱処理の後、炭素繊維ポリマーマトリックス複合材料の外装材を使用して、大型スラストチャンバーTCAを外装します。



DED指向性エネルギー堆積積層造形技術により、ロケットスラストチャンバーノズルの製造プロセス中にスラストチャンバーアセンブリ（TCA）全体が一度にすべての内部冷却チャネルを形成できるため、クローズドオペレーションの必要がなくなります。利点は明らかです。部品と溶接作業を大幅に削減できるだけでなく、スラストチャンバーアセンブリ（TCA）全体を複数回使用することもできます。



DED指向性エネルギー堆積添加剤製造プロセスを通じて、バイメタル材料がGRCop-42銅チャンバーの後端に堆積され、バイメタル軸継手を備えたロケットスラストチャンバーノズルを形成し、連続冷却を実現します。これにより、いくつかの設計上の課題が解決されます。ボルト接続設計の問題により、スラストチャンバーアセンブリ（TCA）全体が、炭素繊維ポリマーマトリックス複合材料の外装を通して梱包されました。



DED指向性エネルギー堆積積層造形技術には、マルチマテリアル開発のための想像力と探求のスペースもあります。3DScienceValleyの市場調査によると、複合材料の外装はチャンバーシースとしては十分に機能しますが、RAMPTプロジェクトは引き続き焦点を当てています。バイメタルの積層造形に関する研究。溶接ロケットスラストチャンバーのノズルの材料遷移が依然として必要であるため、材料の開発。



バイメタル材料により、ロケットスラストチャンバーのノズルは最適な材料を選択できます。理想的には、ロケットスラストチャンバーのノズルは、高温合金やステンレス鋼材料などの非銅合金でできています。バイメタル積層造形材料は、スラストチャンバーアセンブリ（TCA）のすべての構造と動的負荷の複雑な課題と要件を満たすのに役立ちます。