宇宙製造に向けた低消費電力の金属3D積層技術を開発

ニュースのポイント

• ジュール熱を利用し、1kW未満の低消費電力で金属ワイヤを溶融・積層する新技術
• 銅合金ローラーによる加圧（ホットバニシング効果）で、上面粗さRa 0.142μmを達成
• 電流、速度、接触幅の最適化により、ボイドや崩壊のない安定した5層積層に成功

背景

宇宙探査の長期化に伴い、地上からの物資輸送コストを削減するため、軌道上での部品製造や修理（宇宙製造）の重要性が高まっています。しかし、従来の金属3Dプリンターは、高出力のレーザーやアーク、複雑な光学系、真空対応の付帯設備が必要であり、積載重量や電力制限の厳しい宇宙船内への導入には大きな課題がありました。そこで、シンプルかつ省電力な熱源としてジュール熱に着目した研究が進められました。

何が起きたのか

開発されたJHAMプロセスでは、直径0.3mmのSUS304ステンレスワイヤを使用し、銅合金ローラーで0.3Nの一定圧力を加えながら電流を流して積層を行います。熱・電気・構造を結合した3次元有限要素解析により、ローラー移動に伴う独特な「牙状」の温度分布を解明しました。実験では、電流120A、積層速度200mm/min、接触幅1.0mmの条件において、最も良好なマクロ品質が得られることを実証しました。電流を増やすと溶融幅が広がり積層高さが減少する一方、速度を上げると熱入力が減って幅が狭くなり、高さが増す傾向が確認されています。

製造業・生産管理への見方

本技術は、宇宙環境だけでなく、地上の製造現場における「省エネルギー・省スペースな金属AM」としても高いポテンシャルを秘めています。特に、銅合金ローラーによる物理的な加圧（インサイチュ・ホットバニシング効果）を組み合わせることで、積層と同時に表面の凹凸を押し潰し、上面粗さRa 0.142μmという極めて滑らかな仕上がりをワンプロセスで実現している点が特徴です。これにより、後工程での研磨作業を大幅に削減できる可能性があり、精密な金属部品のオンデマンド製造や、現場での迅速な補修・肉盛り補修への応用が期待されます。

現場で確認したいポイント

• 自社製品や金型補修において、低出力（1kW未満）の金属積層技術が適用できるか
• 後工程（研磨・仕上げ）を削減するために、加圧ローラー併用型の積層方式が有効か
• 熱入力の変動による硬度低下（結晶粒の粗大化）を防ぐための、最適な施工条件の管理

確認しておきたい点

本研究で報告されている極めて低い表面粗さ（Ra 0.142μm）は、ローラーが直接接触して加圧された「上面」のみの測定値です。積層造形特有の段差（ステップ効果）が発生する「側面」については、この平滑さは適用されないため、部品全体の仕上がり品質を評価する際には注意が必要です。

出典情報