新しいマルチメタル3Dプリンティングプロセス開発

September, 19, 2025, Zurich--チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）の学生は、円形のツールパスに従って丸いコンポーネントをプリントし、複数の金属を一度に処理できるレーザパワーベッド溶融機を開発した。このシステムは製造時間を大幅に短縮し、航空宇宙と産業に新たな可能性をもたらす。ETHはこの機械の特許出願を提出した。

今日、事実上すべての最新のロケットエンジンは、構造と機能の緊密な結合により性能を最大化するために3Dプリンティングに依存している。ETH Zurichの学生は現在、高速マルチマテリアル金属プリンタ、つまりプリンティング中に粉末蒸着ノズルとガスフローノズルを回転させるレーザパワーベッドフュージョンマシンを構築した。この機械は、金属部品の3Dプリンティングを根本的に変え、生産時間とコストを大幅に削減する可能性がある。

5学期と6学期の学士課程の学生6名からなるチームは、Focus Project RAPTUREの一環として、ETHのMarkus Bambach教授と上級科学者のMichael Tuckerの指導下で、先端製造ラボで新しい機械を開発した。わずか9か月で、学生たちは自分たちのアイデアを実現し、構築し、テストした。この機械は、ロケットノズルやターボ機械など、ほぼ円筒形の形状を特徴とする航空宇宙分野のアプリケーションを特に対象としているが、機械工学にも幅広い関心を集めている。

先端技術へのアクセスの提供
プロジェクトリーダーのTuckerの説明によると、このプロジェクトは、宇宙に到達するというビジョンを持って独自のロケットを製造しているスイス学術宇宙イニシアチブ(ARIS)の二液燃料ロケットノズルの開発という非常に特殊な課題から生まれた。ARISは今後数年以内に、高度100kmに設定された国際的に認められた宇宙の境界であるカルマンライン(Kármán Line)に到達することを目指しており、それを超えると大気が薄すぎて特別な推進力なしでは航空機による飛行を支えることができない。

長時間の打ち上げによる激しい熱と圧力に耐えるために、ロケットのノズルは理想的には複数の金属で作られている必要がある。たとえば、内部は冷却チャネルが統合された熱伝導性銅で、外側は耐熱ニッケル合金で作ることができる。「ETH Zurichの学生ロケットチームのような小規模なプレーヤーにとって、この種のマルチマテリアルテクノロジーはこれまで複雑すぎ、高価すぎて、手の届かないものだった」(Tucker)。

回転式3Dプリント
新しいマシンの心臓部は、高速プリンティングプロセスを可能にする回転プラットフォームである。各層を溶かした後に新しい粉末層を塗布する必要がある従来の直線レーザパワーベッド溶融機とは異なり、RAPTUREマシンは回転プラットフォームにより、ノンストップで動作する。これは、レーザによって粉末の塗布と融合が同時に行われることを意味し、生産性が大幅に向上する。これにより、円筒形部品の製造時間が3分の2以上短縮される。

「このプロセスは、航空宇宙産業のロケットノズル、回転エンジン、その他多くのコンポーネントに最適である。通常、直径は大きいが、壁は非常に薄い。この機械は非軸対称または部品の配列を製造することもできるが、回転方法は、この形状を正確に製造するのに特に効果的だ」(Tucker)。

2つの金属を同時プリンティング
回転機は、1回の操作で2つの異なる金属を処理できる。従来のシステムでは、いくつかのステップとはるかに多くの金属粉末が必要だった。混合粉末の分離と回収は依然として未解決の課題であるため、今日、この粉末の多くは廃棄物になっている。新しい方法では、コンポーネント内で実際に必要な場所にのみ材料を堆積させるため、廃棄物が削減される。

この機械は、粉末が融合する領域に不活性ガスを吹き付ける機構を備えている。これにより、プリンティング中にコンポーネントが酸化するのを防ぐ。すす、スパッタ、その他の副産物は、排出口を介してシステム的に抽出される。「当初、ガスの流れのメカニズムが製品の品質にどの程度影響するかを過小評価していた。今、われわれはそれが重要であることを知っている」(Tucker)。
新開発の機械の回転構造により、局所的なガス流量条件を従来の機械よりもはるかに厳密に制御することができる。

標準コンポーネントではなくカスタマイズされたコンポーネント
学生たちは、新しいレーザパワーベッドフュージョンマシンを開発する際に、多くの技術的課題に直面したが、そのうちの1つは、スキャンレーザとガス入口および粉末供給の回転の同期に関係していた。また、機械に必要な部品の多くは市販されていないため、チームは独自に設計した。これらには、ガス入口の回転可能な接続と、運転中に粉末を自動的に補充するシステムが含まれる。

それにもかかわらず、学生チームは、産業アプリケーションの準備が整っているように見える機械を構築することに成功した。Tuckerにとって、これはフォーカスプロジェクトのハイライトの1つであり、「学生のチームが9か月で機能する機械を開発し、構築したという事実は非常に注目に値する。」

航空宇宙、e-モビリティなどの可能性
ARISや航空宇宙産業全般の具体的なアプリケーションだけでなく、航空機やガスタービン、リング状の形状が標準である電気モーターなど、他の分野での応用の可能性も見出している。その目新しさと途方もない商業的可能性により、ETHは回転式マルチマテリアルレーザ粉末床溶融技術を対象とする特許出願を提出し、その後ETHスパーク賞にノミネートされた。

プロトタイプでこれまでに製造されたコンポーネントの直径は最大20㎝。研究チームは現在、プロセスをより高速かつより大きな直径に拡張することを検討しており、現在、この革新的なテクノロジーをさらに開発および展開するために協力してくれる業界パートナーを探している。