ロケットの軽量化に向けたマグネシウム合金の積層造形技術をJAXAなどが開発

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三菱電機、熊本大学先進マグネシウム国際研究センター(熊本大学MRC)、東邦金属、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の4者は6月13日、ワイヤー・レーザーDED(指向性エネルギー堆積方式)方式によるマグネシウム合金の高精度な積層造形技術を確立したことを発表した。

これまで4者は、ロケットの軽量化による抜本的な低コスト化に向けて、JAXAの「革新的将来宇宙輸送システム研究開発プログラム」の枠組みのもと、2022年9月から「マグネシウム合金ワイヤーを材料に用いたレーザーワイヤーDED方式AM(Additive Manufacturing)造形技術の研究」を進めてきた。従来、マグネシウム合金は、高温で溶かした金属を金型に流し込み、圧力をかけて成形する鋳造方法である、「ダイカスト法」という手法での加工が一般的であるため、内部に空洞を持つような造形が不可能という課題があったほか、複雑な形状を高精度に加工できる金属3Dプリンターにおいては、金属の粉末を熱で溶融させて積層造形する「PBF方式」が主流であるが、燃焼しやすいマグネシウム合金を粉末材料として用いた場合、酸化による劣化や粉塵爆発を引き起こす可能性があり、安全に運用できない課題があったという。

そこでこうした課題を解決するべく今回、金属粉末ではなく、金属ワイヤーを材料として使用するワイヤー・レーザーDED方式を採用した三菱電機の金属3Dプリンターと、熊本大学MRCが開発した高い不燃性を有する「KUMADAI 耐熱マグネシウム合金」を組み合わせる手法を考案。研究開発は、マグネシウム合金用積層造形技術の開発、造形物の材料特性検証を三菱電機が、マグネシウム合金の組成検討を熊本大学 MRCが、マグネシウム合金ワイヤーの製造プロセス開発を東邦金属が、マグネシウム合金積層造形物の性能評価によるロケット軽量化効果の試算・評価をJAXAが行う形で進められた。

KUMADAI耐熱マグネシウム合金製ワイヤーを用いた試験造形を繰り返した結果、マグネシウム合金粉末よりも高い加工性と強度を両立した取り扱い容易なマグネシウム合金ワイヤーを、精密な温度制御により燃焼させずに積層造形することができたとのこと。

また、同技術による積層造形物について、ロケット用材料としての性能評価をJAXAにて行ったところ、ロケットの部位によっては従来のアルミ合金構造と比較して最大で約20％の軽量化効果が得られる可能性が試算されたという。