3Dプリンティングの利点は広く知られています。この技術を使えば、製品を必要な場所で製造できます。効率性の課題への対応にも役立ち、サプライチェーンを円滑に機能させます。製品の製造に必要な資源や時間を大幅に削減できる可能性があります。
ロケット企業は、正式にはアディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）と呼ばれる3Dプリンティングを、ここ10年近く活用してきました。その始まりは2013年、SpaceXがSuperDracoロケットエンジンの部品を3Dプリントで開発したことでした。
この記事では、新興宇宙企業における3Dプリンティング活用の歴史をたどります。記事の後半では、こうした企業で使われているもうひとつの先進的な製造技術、高圧ダイカストについても取り上げます。
3Dプリンティングとは
まずは、3Dプリンティング技術の仕組みをおさらいしましょう。定義を調べるなら、3Dプリンティングの第一人者であるAutodeskの説明が最適です。
Autodeskは、3Dプリンティングを「デジタルモデルに基づき、素材を層状に積み重ねて実物を作るプロセス」と定義しています。同社によれば、「3Dプリンティング技術は、試作品や簡単な部品から、航空機部品、環境に配慮した建物、命を救う医療用インプラント、さらにはヒトの細胞を層状に重ねて作る人工臓器など、高度な最終製品まで、あらゆるものの製造に活用できます」。
Autodeskは、3Dプリンティングを用いた製造で採用される主な手法を3つ挙げています。
熱溶解積層法（FFF）：主に消費者向け製品の製造で使われます。プラスチック素材を加熱・押し出し、層を重ねて目的の製品を形作る方法です。熱溶解積層法（FDM）とも呼ばれます。
光造形法（SLA）：紫外線を照射し、樹脂を一層ずつ硬化させます。
粉末焼結積層造形法（SLS）：レーザーを使い、粉末状の素材を一層ずつ焼結します。
宇宙関連メーカーが3Dプリンティングを導入する理由
アディティブ・マニュファクチャリングのソフトウェアプロバイダーであるAMFGは、宇宙旅行分野における3D製造の影響について、いくつかの見解を示しています。同社は「宇宙機メーカーは、コストを削減し効率を高めながら、ロケットの開発と生産を加速させるという課題に直面している」と指摘しています。
AMFGによると、従来のロケット製造では試作と生産を何度も繰り返すため、時間もコストもかかります。同社によれば、3D製造を使えば、部品の製造期間を従来の14週間からわずか数週間に短縮でき、メーカーは時間とコストを大幅に節約できます。
3D製造は、従来の製造方法では難しい部品の精度確保にも役立ちます。
宇宙で初めて使われた3Dプリント部品
Elon Muskは2002年にSpaceXを設立しました。その使命は、人類がいずれ火星に移住できるよう、宇宙への移動コストを下げることでした。SpaceXによると、これを実現するには「これまでに建造された中で最も強力な、完全再使用型の打ち上げ機を開発する必要があります。人類を火星や太陽系のほかの目的地へ運べる機体です」。
2013年9月5日、Muskはツイートで「SpaceXのSuperDraco用インコネル製ロケット燃焼室（再生冷却ジャケット付き）が、EOSの金属3Dプリンターから出てきた」と発表しました。
宇宙探査、イノベーション、天文学に関する情報を発信するSpace.comは、「SpaceXは今年［2014年］初め、初の3Dプリント部品を宇宙へ送り出した」と報じています。同記事によると、「その部品はロケットエンジンの主酸化剤バルブで、商用通信衛星Thaicom 6を軌道に投入するSpaceXの1月6日のFalcon 9打ち上げに搭載されました」。
過酷な条件下、とりわけ極低温環境でもバルブが要求どおりに作動したことは、ロケット部品の製造に3Dプリンティングを使う実用性を裏付けています。
SpaceXは、ヘルメットなどのアクセサリー製造にも3Dプリンティング技術を活用しています。3Dnatives.comによると、「ヘルメットにはそれぞれ、バイザー、バルブ、ロック、マイクが備わっています」。
Blue Origin：3Dプリンティングに大規模投資
Blue Originは、Amazon創業者のJeff Bezosが設立した航空宇宙メーカーです。2000年にワシントン州ケントで創業しました。「子どもたちが未来を築けるよう、宇宙への道を切り開くことに取り組んでいます」と、同社のミッションステートメントには記されています。
Blue Originは、安全で低コストな再使用型打ち上げ機を開発することで、この使命を果たしていると述べています。その機体は「一部または完全に再使用可能で、民間、商業、防衛のあらゆる顧客のニーズに応えるもの」です。
Blue Originの宇宙輸送サービスを低コストかつ安全なものにするうえで、3Dプリンティング技術は重要な役割を果たします。3DPrintingIndustry.comは、同社の社長Rob Meyersonが「当社は3Dプリンティングに大規模な投資を行ってきた」と語ったと伝えています。さらに彼は「新技術の導入に全力で取り組み、その可能性を最大限に活用します」と述べています。
また3DPrintingIndustry.comは、Meyersonがプレゼンテーションで、従来の鋳造法と比べた3Dプリンティングの時間・コスト削減効果を紹介したと報じています。プレゼンテーションでは、3Dプリンティングなら3カ月で製造できる部品が取り上げられました。同じ部品を従来の鋳造法で作ると、12カ月以上かかります。
初の女性を月面へ運ぶ3Dプリントエンジン
2020年12月、3Dprint.comは「Blue Originは、2024年までに初の女性と次の男性を月面へ送り届ける可能性のある、3段式の着陸船を開発した」と報じました。
注目すべき点は、月着陸システムを駆動するBE-7エンジンが3D技術を使って製造されたことです。Bezosも「BE-7は、高性能な液体水素・液体酸素式の月着陸エンジンで、アディティブ・マニュファクチャリングによって製造されています。推力は10,000 lbfで、精密な月面着陸のために2,000 lbfまで深く推力を絞り込めます」と述べています。
それだけではありません。BezosはInstagramの動画で、「これが初の女性を月面へ運ぶエンジンです」と発表しました。Washington Postによると、その女性とはWally Funkです。1961年に宇宙へ行く機会を逃したのは、「NASAには女性宇宙飛行士の計画がなかった」ためでした。
Funkは月面に降り立つことはありませんでしたが、2021年7月20日に宇宙へ行く機会を得ました。当時82歳でした。Funkは、Blue Originが「初の有人飛行」と名付けた飛行で、Bezosとともに宇宙へ旅立った3人の乗客のひとりです。
完全3Dプリントのロケットを軌道へ打ち上げる
Relativity Spaceは2015年に設立された宇宙企業です。同社は「完全3Dプリントのロケットを軌道へ打ち上げることに成功した、初の宇宙企業になる」という目標を掲げています。
では、「完全3Dプリントのロケット」とは、実際には何を意味するのでしょうか。Engineering.comに記事を寄稿するDenrie Perezが、その答えを示しています。「エンジンから胴体に至るまで、Relativityは製造工程のほぼ全体を自動化しています」。
Perezはさらに、3DプリンティングによってRelativityは設計を迅速に変更できるようになったと付け加えています。SpaceXなどの競合に勝つため、同社はカスタマイズを強みにしていると彼女は指摘します。「3Dプリンティングを活用すれば、あらゆる種類の衛星に合わせてカプセルを繰り返し改良できます」と述べています。
Forbes.comは、RelativityのCEO、Tim Ellisが「3Dプリンティングを使えば、より小規模で無駄のない工場と少ない工程で、ロケットをより速く製造できます」と語ったと伝えています。
2021年6月8日、Forbes.comのAlex Knappは、RelativityがシリーズEの資金調達ラウンドで6億5,000万ドルを調達したと報じました。同氏によると、この「資金は同社のTerran Rロケットの開発加速に充てられます。完全に3Dプリントで製造され、Elon MuskのFalcon 9ロケットより大きなペイロードを打ち上げられる機体です」。
3Dプリンティングを活用するその他の宇宙企業
宇宙分野で3Dプリンティングがもたらす利点を考えれば、本格的に宇宙事業に取り組む企業が、この技術を使った部品製造に取り組んでいるのも不思議ではありません。
3DPrintingIndustry.comに記事を寄稿するMichael Petchは、Virgin Galacticの社長兼CEO、George Whitesidesがインタビューで、「エンジンの製造にかかる期間を、何カ月から最終的には数週間へ短縮することが目標です」と語ったと伝えています。Petchは、この目標の達成に3Dプリンティングが大きく貢献すると指摘しました。
Rocket Labは、MIT Technology Reviewが「3Dプリントによる宇宙革命を起こした小さな企業」と評した宇宙輸送企業です。Peter Beckが2006年に設立しました。
MIT Technology Reviewは、「これまでに6機の[Rocket Lab]ロケットが打ち上げに成功しており、いずれも主に金属3Dプリンティングで製造された9基のRutherfordエンジンを搭載しています。機体に搭載されるほかの多くの部品も同様です」と報じています。
ほかの製造方法にも出番はある？
新興宇宙企業が3D技術を積極的に導入する一方で、長年使われてきたほかの製造方法にも、業界で活躍する余地がありそうです。
長年使われ、現在も有効な技術の一例がプラスチック射出成形です。
こうした技術が今後も必要とされる証拠として、SpaceXが関連技術に精通したエンジニアや技術者を募集する求人を最近掲載しました。
求人広告には、エンジニアや技術者が「高圧ダイカスト工程の開発初期段階や設備の立ち上げでエンジニアリングチームと緊密に連携し、社内のアルミダイカストの開発を推進する」と記されています。
新興宇宙企業の取り組みや投資から、3Dプリンティングが未来を担う重要な技術になることは明らかです。NASAのような組織では、予備部品を国際宇宙ステーションへ送るという課題を解決できます。3Dプリンティングを使えば、部品の一部をISS上で製造できるようになります。
