Mk.19

■まえがき

どうやら、最後にエグゾーストキャノンの新規開発をしてから6年もの歳月が経っていたようである。最後の機体であるMk.18を製作した2014年からの3年間は、大学院での研究を続けながら既設機の機能強化を目的として改造を続けていたが、卒業後は某社での暗黒の3年間…金属加工や圧縮空気とは無縁の地獄の日々であった。

そんな暗闇の中で、自分を救ってくれたのが3Dプリントという技術だった。CADで設計したものがデスクトップの自動機械ですぐ手に入り、トライアンドエラーも容易。さらに研究の結果たどり着いた耐圧3Dプリントを適用すれば耐圧部品も製造可能と分かった。

そして時は経ち2020年4月。地獄からの決別と引越し、そして新拠点構築を経て、ついに復活の狼煙を上げる時が来た。開発対象はもちろん

「無隔膜衝撃波管-Exhaust Cannon-」

沈黙の6年間で新たに習得した3Dプリントの技術をフル活用してAM時代の新たなエグゾーストキャノンを創造し、巴波重工復活の象徴とするのだ。

■方針

今までに18機を開発したエグゾーストキャノンシリーズであるが、その開発方針は主として2つあった。一つは排気速度や連射機能などを極めた性能追求型。もう一つは構造を簡略化して製作のハードルを下げた製作性追求型である。

後者について、単管式の発明はまさにこの始まりで、水道管をベースに旋盤不使用で構築可能となったエグゾーストキャノンMk.5などはその最たるものである。

しかし、このMk.5で大幅に製作難易度が下がったとはいえ、実際には水道管へドリルで穴あけを施したり、穴を金ヤスリで拡張したりと、それなりにハードな加工が要求される。またなんといっても外観はザ・水道管。クールな外観とは決して言えないだろう。

そこで、3Dプリンターである。3Dプリンターを使えば、望んだ形状が最初から手に入る。従来の環境では一苦労だった大口径の穴あけや、旋盤でしか作れない円筒形の部品ですら3Dモデル次第でいくらでも造形可能。さらに耐圧3Dプリント設定を適用することで、リークの心配も一切なく、その応用としてOリング溝の成形方法も確立している。また3Dプリントならではの設計の自由度を活かせば、水道管キャノンのような野暮ったいデザインからも脱することができるはずだ。

ということで、今回は3Dプリンターを活用することで、外観性と過去最高の製作性を両立する新しいエグゾーストキャノンを開発していく。

従来のエグゾーストキャノン設計ではシリンダーとノズル/尾栓の固定方法として、上図のようにシリンダーに放射状に穴を設け、そこにボルトをねじ込む構造をとっている。この構造を断面に表すと次のようになる。

内圧が高まると両端の栓に荷重が作用し、最終的にそれを受け止めるのは赤の破線で囲ったボルトねじ込み部だ。荷重を受ける箇所はその面積が大きければ大きいほど、断面変化が緩やかであればあるほど生じる応力は緩和されるが、このボルトねじ込み構造はパイプの孔、栓のネジ穴がピンポイントで荷重を受ける構造であるため、パイプ側/栓側双方に大きな応力が生じることが予想される。

加えて射撃後に内部ピストンユニットが停止する際の衝撃荷重も、最終的にはこの部位で受け止めることになるため、エグゾーストキャノンの構成部品の中でもとりわけ条件が厳しいのがこの部位なのだ。

実際、過去に製作した機体でも、パイプ側の穴がその衝撃に耐えきれず降伏し、変形してしまった事例が何件もある。（その際に施した破損対策はまた別の機会で…）

この構造を脆性破壊リスクのある樹脂製エグゾーストキャノンにそのまま当てはめるのはなんとしても避けたいところだ…

さて、そこで参考にするのは市販エアシリンダーの耐圧構造である。

エグゾーストキャノンの耐圧構造と比較して特徴的なのは、両端の樹脂製の栓とそれを保持する金属製シャフトである。以上の構造を断面図に表すと次のようになる。

図のように、パイプ外部に張り出した栓同士を金属製のシャフトおよびナットで締結することで、内圧作用時、両端の栓にはナットを介した圧縮応力だけが作用する。またナットにワッシャーを組み合わせることで、座面に生じる応力も下げることができる。以上の応力条件の緩和により、栓が樹脂であってもその脆性破壊リスクを回避できるのだ。

たとえ樹脂の強度が低くても、構造を変えることで設計を成立させる。単純な素材の強度アップではないアプローチこそ、「設計」の面白い部分である。

またこの構造はパイプへ生じる応力が内圧のみになるというメリットがある。従来設計では栓に掛かる荷重がパイプの穿孔部に集中するため、その素材は高い強度を持つ金属しか選択肢がなかった。しかし、今回はその制約が取り払われ、最高1MPa程度の設計ならば樹脂パイプを使用することも可能になる。

具体的には給水管に用いられるVP管は1MPaの最高使用圧力が設計値として保証されているため、全く問題なく使用することができる。VP管は非常に加工もしやすく、また透明で内部が可視化できるものも販売されているため、今回のコンセプトに完璧にマッチする。

ということで今回は以上の耐圧構造を活用、またパイプには透明VP管を採用し、製作性と外観性を引き上げていく。

■3Dプリントによる耐圧容器構造の試作

今回は初めて1MPaまでを扱う本格的な圧力容器の3Dプリントである。そこでエグゾーストキャノンの設計にそれを組み込む前段階として、予備実験をしておくことにした。

基本構造は最も実績のある機体であるMk.7と全く同様の単管式を採用し、唯一異なるのはシリンダーとノズル/尾栓の固定方法である。先程のエアシリンダーと同様にシリンダー外部に3本のシャフトを配し、これでノズルと尾栓を締結する。ピストンユニットを構成する樹脂部品はすべて3DP刷って出しで、一切の追加加工は不要。唯一、ノズルについてその内面がOリングの摺動に耐えうる滑らかさかどうかがやってみないとわからないポイントである。

部品同士のクイアランスについてはほぼ一発で決まることはないと考えて良い。今回もノズルピストンとメインピストンについては、適切なOリングの密着性を得るため、それぞれ5回程度のトライアンドエラーを繰り返している。このあたり、例えば切削加工であれば必要に応じ追加切削を行えばすむが、3Dプリントでは都度のモデル変更と刷り直しが必要になってしまう。オール3DP縛りはなかなか難しい一面があるということを痛感した一面である。

ちなみに上記一セットのプリントに要した時間は10時間ほどである。

出力した部品のうち、主要なネジ部についてはタッピングを行いネジを整形した。ちなみにネジについても3Dモデルの寸法を詰めれば追加加工無しで成形可能だ。特に管用ねじについてはあえてわずかにキツくなる程度に仕上げることで、シールテープ無しでの使用も可能になるだろう。

そして最後、Oリングと摺動するノズルについてだが、非常に良好な出力結果が得られている！触ってみるとたしかに細かい凹凸はあるものの、Oリング摺動時にリークの原因になるような大きな凹凸は見られない。念の為、紙やすりで内面を研磨したところ、大変なめらかな摺動面を得ることができた。これなら完璧である！

■組立の時

せっかくなのででかい写真で見て頂いた。初のスケルトンエグゾーストキャノン、内部のピストンが見えて大変クールだ！