Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

次世代の宇宙船を構築するには、極めて強く、かつ飛行に十分な軽さを備えた材料が必要です。何十年もの間、エンジニアは金属を成形するために伝統的な手法に頼ってきましたが、これらの技術は、燃料タンクのような大規模で複雑な曲線を製作しようとすると、しばしば困難に直面します。ワイヤ・アーク積層造形（WAAM）として知られる新しい手法は、異なる道筋を提示しています。この手法は、金属のブロックを削り取ってサイズに合わせるのではなく、高度に精密な溶接トーチのように機能するロボットアームを使用して、物体を一層ずつ積み上げていきます。細い金属ワイヤを溶かし、特定のパターンで堆積させることで、それを融合させて固体の構造体を作り上げるのです。この技術は、巨大な部品を迅速に作成できるという大きな期待を集めている一方で、重大な障害にも直面しています。それは、金属を溶かすために必要な強烈な熱が、冷却過程において材料の歪みや変形を引き起こすという点です。大きな物体を構築する過程で、これらの小さな歪みが蓄積し、最終的な形状が使い物にならないほど歪んだり、強度が不足したりしてしまう可能性があります。

この問題を解決するため、清水建設と宇宙航空研究開発機構（JAXA）の研究者たちは、この溶接ベースの造形手法のスピードと、伝統的な加工技術の精密さを組み合わせることに着手しました。彼らは、ロボットが金属を足すだけでなく、取り除くこともできるハイブリッドシステムを開発しました。ミーリングツールとレーザースキャナーを同じロボットセルに統合することで、システムは新しい層が構築されるたびにその高さを測定し、ロボットの経路をリアルタイムで調整することができます。もし金属が盛り上がりすぎたり、歪んだりした場合には、ロボットは溶接を一時停止し、余分な材料を研磨して完全に平らな表面を作り出し、それから構築を再開することができます。このプロセスにより、熱によって形状が崩れようとしても、最終的な物体が意図した形状を維持できることが保証されます。チームはこのシステムの実証として、ロケットの燃料を保持する容器であるプロペラントタンク（推進剤タンク）のフルスケールモデルを製作し、それが耐えられるかどうかを確認するために極限の圧力にさらしました。

研究者たちは、高さ1.1メートルで、幅が1メートルの太い部分と0.5メートルの細い部分を持つデモンストレーター・タンクを製作しました。このタンクの壁はアルミニウム合金のワイヤから作られ、厚さが5ミリメートルに達するまで層状に堆積されました。長時間の積層プロセス中に構造を剛性高く保つため、チームはタンク内部にリング状の補強材（スティフナー）を導入し、ロボットが作業を再開する前にこれらを手作業で溶接して固定しました。成功の鍵となったのは、ロボットが溶接を行っている間、毎秒10回の頻度でタンクの表面をスキャンするレーザープロファイラーの使用でした。これにより、システムは常に金属が積み上がっている高さをチェックし、層が均一になるようにロボットの動きを自動的に調整することができました。その結果、大きな物体を高温で構築するという課題にもかかわらず、一貫した壁厚を維持したシームレスな金属シェルが完成しました。

タンクが完成した後、チームはそれが実際の燃料容器として機能するのに十分な強度を持っているかを検証する必要がありました。彼らは上部を金属製のカバーで密閉し、水を入れて静水圧試験を行いました。水は空気のように圧縮できないため、失敗してもタンクが激しく爆発することなく、強度のテストを行う上で安全かつ効果的です。彼らはタンク内部の圧力を徐々に上昇させ、金属がどのように伸び、変形していくかを注意深く観察しました。タンクは内部圧力が1.7メガパスカルに達したときにようやく破裂しましたが、その破断は、手作業で溶接されたカバーとロボットが造形したタンクが接する継ぎ目部分で発生しました。これは、溶接された接合部が最も弱い箇所であり、積層プロセスによって作られた金属壁自体ではなかったことを示しています。

タンクの性能の真の指標は、金属が永久に変形し始める瞬間、すなわち「降伏圧力」を分析することによって得られました。高感度ゲージを用いてタンク表面の歪みを測定したところ、研究者たちは、円筒形のセクションが1.30メガパスカルの圧力で降伏し始め、曲面の下部セクションが1.38メガパスカルで降伏することを発見しました。これらの数値は、使用したアルミニウムワイヤの既知の強度に基づいたコンピュータ・シミュレーションによる予測値と驚くほど近いものでした。シミュレーションでは、円筒部で約1.37メガパスカル、ドーム部で1.38メガパスカルの降伏圧力が推定されていました。物理的なテストとコンピュータモデルの密接な一致は、ロボット溶接プロセスによって生成された金属が、原料であるワイヤと同等の強度を持っていることを裏付けました。

また、本研究では、内部のリング状補強材が圧力に対する抵抗力にどれほど大きな影響を与えるかについても調査されました。コンピュータモデルの示唆によれば、これらのリングを追加することによる圧力耐性の向上はわずか5パーセント程度であり、比較的小さな利得でした。実験データもこれを支持しており、タンクは補強材に大きく依存することなく良好な性能を示しました。研究者たちは、予測と実際のテスト結果との間のわずかな差異は、手作業で溶接されたカバーの正確な形状や、壁の厚さの微細な変化を考慮していないといった、コンピュータモデルの簡略化に起因する可能性が高いと指摘しました。それにもかかわらず、核心となる発見は明確でした。すなわち、ハイブリッド製造システムは、複雑で大規模なアルミニウムタンクを、理論的な強度要件を満たす形で製造することに成功したということです。

この研究は、積層技術と除去技術を組み合わせることで、構造的な完全性を損なうことなく、メートル規模の航空宇宙部品を製造できることを実証しています。この成功の鍵は、エラーが発生した瞬間にそれを修正し、大規模な溶接プロジェクトに特有の欠陥の蓄積を防ぐ能力にありました。チームは、溶接プロセスを再開する際の金属の品質向上など、改善すべき点も特定しましたが、全体的な実験はこのアプローチの実現可能性を証明しました。タンクは物理法則が予測した通りに圧力を受け止めたことから、このハイブリッド手法が、将来の宇宙探査に必要な大型で軽量な構造物を製造するための信頼できる方法になり得ることを示唆しています。