徹底分析：微小重力金属3Dプリントの展望

微小重力下での金属 3D プリントは、特に国際宇宙ステーションでの活動において、科学者や航空宇宙エンジニアの間で関心が高まっています。ドイツとフランスの研究者は、最近発表された論文「μ重力下での金属部品の 3D 印刷」で、微小重力印刷のテーマを調査しました。研究チームは、宇宙で働き生活するための戦略を開発し、直面する可能性のある課題を詳しく調査することに重点を置いています。重力がほとんどない金属付加製造。

付加製造は、世界中のさまざまな企業や組織、特に航空宇宙部門や NASA にとって恩恵をもたらしてきました。スペアパーツの作成は非常に高価で困難なため、3D プリントと AM プロセスには、ロボットの統合を含め、飛躍的に向上したコスト、生産速度など、多くの利点があります。この研究では、研究者らは宇宙で1〜500ミリメートルの大きさの金属部品を製造することを目指した。また、より大きな構造物の作成も可能になり、宇宙船のほぼすべてのコンポーネントをレーザービーム溶融法 (LBM) で、チタンからニッケルベースの合金まで幅広い材料から製造できるようになります。

LBM テクノロジーは現在、次のようなさまざまなアプリケーションで使用されています。
車
航空宇宙
ツール製造
医療リャオ

「航空宇宙部品の製造プロセスとしてLBMを選択するかどうかは、部品の機械加工に必要な原材料と部品自体の重量の比率が主な基準です。従来の製造技術では、飛行部品の調達から飛行までの比率は15～20倍にもなり、材料と機械加工部品の両方に多大なコストがかかります」と研究者らは述べています。

LBM プロセスには、粉末からほとんど廃棄物を出さずに、ほぼあらゆる形状の部品を製造できるという点をはじめ、さまざまな利点があります。スペアパーツの取り扱いは重要であり、特に国際宇宙ステーションでは、過去に打ち上げ失敗により輸送が失敗することが知られているため、その重要性は増すばかりだ。宇宙ステーションでの船外活動中に工具を紛失しただけでも、宇宙飛行士やミッションに問題が生じる可能性があります。国際宇宙ステーションの全スペアパーツのうち約2%、合計約2,000個の部品がいつでも失われる可能性があると考えられています。 ”

3D プリントは論理的な選択でした。3D ファイルを電子メールで送信できるため、部品をオンデマンドで現場で作成できるからです。「仮想ツールボックス」から作業し、地球から送信されたファイルに頼ることで、宇宙飛行士は将来的に仕事がさらに効率化されることを実感できるだろう。特に、補給任務が稀または不可能な火星から遠く離れた場所に住んでいる場合はそうです。多くは、微小重力下での製造の成功と、乗組員とともに送られる 3D プリンターと材料の要件に左右されるでしょう。

国際宇宙ステーション、月、火星に到達するのにかかる時間は、地球からの距離に関係しています。それぞれの物体に到達するために必要な移動時間の値は、さまざまな飛行軌道と操縦に関する文献の値に基づいています。考慮される地球-月間の距離は近地点です。地球-火星間の距離については、塗りつぶされた記号は平均最小距離を示し、約 26 か月ごとに到達します。開いた記号は地球と火星間の最大距離と想定される飛行時間を示していますが、このミッションは火星が最小距離に近づいたときにのみ実行可能であると予想されます。

現在、国際宇宙ステーションでは、Made in Space から提供された FM 3D プリンターが使用されています。宇宙飛行士は、主に工具の形で数多くの3Dプリント部品を製作したことでも有名であり、レンチが最初の成功例となった。これは大きな成果ですが、FDM プリンターは、機能拡張が優先される将来のニーズを満たすには基本的すぎる可能性があります。

粉末堆積ユニットの概略図。粉末堆積用の多孔質構築プラットフォームの面積は106.5×85.5mm2です。

「レーザーベースのAMは、特に宇宙で高性能金属や熱可塑性ポリマーを製造する能力がある」と研究者らは述べている。これまで、宇宙で粉末を製造するのは難しすぎると考えられてきたが、研究チームは、粉末床全体にガスの流れを発生させることで宇宙で粉末を安定させる技術を使用することで、新たな進歩によりLBMプロセスをμ-g環境に適応させることができると説明している。多孔質の建物プラットフォームは、「空気の流れの中の金属粒子を固定する」フィルターとして機能します。

「直径 38 μm (つまり D50) の粒子の場合、気流によって生じる抗力は、本研究で使用した粉末の場合、μ-g 加速条件 (< 0.01 g) 下で粒子に作用する力と同等か、それを上回ることが示されました」と研究者らは結論付けています。「本研究では、世界初の金属工具である 12 mm レンチが、μ-g 条件下で LBM によって製造されました。」さらに、他の部品は、放物線飛行によって提供されるさまざまな加速度、つまり、超重力 (1.8 g)、μ-g (<0.01 g)、および 1 g から製造されました。部品の微細構造の最初の調査では、1g 条件下で製造された部品との大きな偏差は見つかりませんでした。したがって、本研究では、宇宙ですぐに使用できる金属部品を積層造形する LBM プロセスの実現可能性に関する最初の結果が提示されました。「
a) レーザースキャナーと光学系、2 つの酸素センサー、2 つの圧力計、および 2 つの過圧安全弁を示す堆積チャンバーの上面図。
b) パラボリック飛行後の洗浄中の堆積セルの図。LBM によって生成されたレンチがまだ粉末ベッドに部分的に埋め込まれていることがわかります。
c) μ重力下で製造された多孔質金属基板とレンチの上面図。d) 基板から分離した後の 12 mm レンチ。ベースプレートの寸法は106.5×85.5mm2です。

金属 3D プリントは宇宙を超えたさまざまな技術を網羅しており、さまざまな産業目的で使用されています。また、セラミックからナノ複合材料、銅に至るまで、地球上で絶えず実験されているさまざまな種類の粉末や材料も使用されています。

出典: インターネット

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