【3Dプリント】大手航空エンジンメーカー、ミサイル・無人機向け3Dプリント製エンジンの本格試験を開始

TJ150の構造の約60%に積層造形を採用

7月20日、ファーンボロー航空ショーの期間中、プラット＆ホイットニーはTJ150エンジンの3Dプリント版の実証試験を完了したと発表しました。

同社によると、このエンジンは体積ベースで構造の約60%が積層造形によって製造されており、重要な静止部品と回転部品も含まれています。

試験では、造形材料が実際の運転条件下でどのような性能を発揮するか、またエンジンが任務に必要な耐久性を満たせるかを重点的に検証しました。

TJ150：使い捨て航空プラットフォーム向けの小型タービンエンジン

TJ150はコンパクトなサイズながら150ポンドを超える推力を備え、高高度で効率よく運転するよう設計されています。

プラット＆ホイットニーによると、主な用途は一度限りの任務を担う巡航ミサイルや自律型プラットフォームです。その一例が小型空中発射デコイMALDで、レーダー防空システムを妨害・欺瞞するための低コストなデコイプラットフォームとして、低被探知性と量産コストの両面で厳しい要件が求められます。

Leidos傘下のDyneticsが開発した小型巡航ミサイル「ブラックアロー」にも、このエンジンが使用されています。このミサイルは今年2月、米空軍によって正式にAGM-190Aと命名されました。飛行速度はマッハ0.8、巡航高度は約3万フィートに達し、これまでにAC-130Jガンシップからの誘導飛行試験を完了しています。

プラット＆ホイットニーによると、TJ150はこれまでに世界各地の顧客へ2,700基以上が納入されています。

真の注目点：従来製法から3Dプリント版への移行

今回の試験で注目すべき点は、エンジンそのものだけでなく、新たな3Dプリント版を採用したことにあります。

プラット＆ホイットニーの先進プロジェクトチームGATORWORKSがTJ150の初期の構造再設計を主導し、社内の技術・製造チームおよびRTX技術研究センターと連携。モジュール化の手法により、高温部を構成していた50点以上の個別部品を、数点の大型造形部品に統合しました。

GATORWORKSは、プラット＆ホイットニー社内で、迅速な提案と試作が求められるこうしたプロジェクトを専門に担当しています。

3Dプリント版では部品点数が減ったことで組み立て工程も簡素化され、接合箇所が減るため、潜在的な故障箇所の一部も削減できます。

同社によると、チームは設計から試験までの一連の工程を、わずか8か月で社内完結させました。従来の航空エンジンの開発期間と比べ、大幅な短縮となります。

最大の課題：高速回転するタービン部品の3Dプリント

特に難しいのが、回転部品です。

高温部の静止構造に対する積層造形技術は比較的成熟していますが、タービンホイールは高温・高圧環境で高速回転する必要があり、受ける機械的応力と熱応力はまったく異なるレベルです。そのため、従来は鍛造と精密加工による製造が主流でした。

プラット＆ホイットニーは2025年に3Dプリント製タービンホイールの単体試験を実施しており、今回はそれをエンジン全体に組み込み、実際の任務に近い運転条件で検証しました。

TJ150の経験を次世代Valoxエンジンシリーズへ展開

試験結果では、3Dプリント製回転部品が必要な検証を完了したとされています。プラット＆ホイットニーは、TJ150プロジェクトで蓄積した積層造形の経験を、次世代のValoxエンジンシリーズにも展開しています。

同社の軍用エンジン事業担当プレジデントJill Albertelli氏は、TJ150のような使い捨てエンジンは任務時間が数分から数時間に限られることが多く、設計の簡素化と生産能力の向上が重要な開発方針になると述べています。

公式発表によると、Valoxは推力500～1,800ポンドをカバーする拡張性のあるエンジンファミリーで、巡航ミサイルや無人僚機などの新たなプラットフォームを対象としています。

ファミリーの中で小型のValox 700は、プラット＆ホイットニーが自己資金で開発しており、主に巡航ミサイルや無人機などのプラットフォームを想定しています。

より大型のValox 1500は、米空軍から1,000万米ドルを超える資金提供契約を獲得しました。こちらもGATORWORKSチームが担当し、進行中の無人僚機プロジェクトへの動力供給を目指しています。

小型航空エンジン市場で競合が増加

7月21日、プラット＆ホイットニーはValox 1500が設計上の重要なマイルストーンを達成したと発表しました。ただし、この分野に取り組んでいるのは同社だけではありません。

ハネウェルのSkyShot 1600や、GEエアロスペースとKratosが共同で展開するGEK1500も、同程度の推力クラスの動力システムを開発しています。

米空軍は同時期に、Beehive Industriesによる同様の開発にも資金を提供しています。また、より高い推力クラスのエンジンを研究する企業として、GEとロールス・ロイスを別途選定しています。

なぜ、この種の航空エンジンから積層造形の検証を進めるのか？

プラット＆ホイットニーが巡航ミサイルや消耗型プラットフォームで3Dプリント技術を先行して検証する背景には、明確な工学的理由があります。

この種のエンジンの任務寿命は数分から数時間に限られ、民間航空機のエンジンのように20～30年にわたる離着陸の繰り返しや整備、オーバーホールのサイクルに対応する必要はありません。そのため、製品ライフサイクルと検証条件が異なり、積層造形のさらなる検証を進めやすい用途となっています。

一方で、受注量や納入ペースへの対応には、依然として大きな負担がかかります。従来の鍛造・加工設備やサプライチェーンの生産能力を迅速に拡大することが難しい場合、金属積層造形は、工程短縮、部品統合、生産の柔軟性向上という点で大きな価値を持ちます。

金属3Dプリント製航空エンジンにとって重要な検証

ここ数年、航空エンジンの高温部に用いる回転部品の製造は、金属3Dプリントの中でも技術的難易度の高い用途の一つとされてきました。これが、プラット＆ホイットニーが今回、3Dプリント製タービンホイールの試験を特に強調している重要な理由です。

今回の試験は、金属積層造形が実際の航空エンジンの運転環境への適用に向けて、さらに前進したことを示しています。

現時点で、この3Dプリントの考え方を民間航空機向けの大型高バイパス比ターボファンエンジンにそのまま展開できるかどうかは、別の問題です。民間航空機のエンジンには、より厳しい信頼性要件や耐空性認証、数十年にわたる運用期間への対応が求められ、技術的なハードルは大きく異なります。

しかし、巡航ミサイル、デコイプラットフォーム、無人航空プラットフォームなど、コスト、納期、大規模生産を重視する用途では、金属積層造形が新たな製造の可能性を示しています。

極限性能の追求から、迅速な大規模生産の実現へ

冒頭で述べたように、TJ150のようなエンジンの任務期間は、従来の航空エンジンとは異なります。

より広い視点で見ると、巡航ミサイルや無人航空プラットフォームに関する一連の計画の中には、米空軍の「手頃な価格で大規模生産可能な弾薬（FAMM）」と呼ばれる構想があります。その中心的な考え方の一つは、単に最高性能を追求するだけでなく、関連装備のコスト効率と大規模生産能力をいかに向上させるかということです。

製造の観点で3Dプリントが注目される理由は、複雑な航空部品の部品点数を減らし、組み立て工程を短縮し、生産の柔軟性を高めながら、より迅速に量産へ移行できる可能性があるためです。