世界初！中国科学院が微小重力下でのセラミック3Dプリントを実現、将来的には月面での印刷も可能

2018年6月21日、南極熊は新華社通信から、中国科学院宇宙応用工学技術センターの研究者らがスイスのデューベンドルフで欧州の無重力航空機を使用し、微小重力環境でのセラミック材料の光造形成形技術実験を世界初となる成功裏に完了したと報じた。

△微小重力環境で光造形技術を用いて印刷された陶器の国旗（写真提供：中国科学院宇宙応用工学技術センター）
つまり、光硬化セラミック3Dプリンターを微小重力環境に設置し、セラミックサンプルの印刷に成功し、3Dプリントされたセラミック鋳型を使用して、微小重力環境での初の金属材料鋳造技術テストを完了したのです。

△研究者らは、地上の微小重力環境で鋳造された金属材料の技術実験サンプルの脱型を観察している。（写真提供：中国科学院宇宙応用工学技術センター）
実験を主導した中国科学院宇宙製造技術重点実験室の王功所長は、「光造形法は地上で一般的に使用されている3Dプリント技術ですが、航空宇宙コミュニティではこれまで、この技術は微小重力環境に適していないと考えられていました。この2つの実験の目的は、将来、宇宙ステーションで部品を迅速に製造できるようにすること、宇宙で大型望遠鏡やその他の科学機器を直接構築すること、そしてより長期的な目標は月や火星などの深宇宙探査を行うことです。月の塵の主な成分はナノまたはサブミクロンサイズのケイ酸塩粒子で、セラミックを作るために通常使用する原材料と形状が似ています。月の土にはチタン、アルミニウム、鉄などの金属も含まれています。私たちは、月の塵でセラミックの型を作る方法を研究し、その型を使って月の土の金属を金属部品に鋳造したいと考えています。」と語った。
中国科学院の実験チームは飛行ミッションを完了した後、集合写真を撮影した。（写真提供：中国科学院宇宙応用工学技術センター）
しかし、微小重力環境では、粉末材料を製造工程中に効果的に制御することが困難です。国際的には、宇宙製造の主な材料形態として一般的に糸状材料が使用されていますが、この方法は、一度の成形精度と表面仕上げが低く、実用化の可能性は限られています。

中国の科学者らは、微細粉末を特殊な樹脂に均一に混ぜてペーストを作り、それをフォトリソグラフィーで硬化させる技術を開発した。

「私たちのチームは、微小重力環境でも浮かばないペーストの作り方を2年以上かけて研究しました。これが私たちの技術の中で最も革新的で価値のある部分です。この技術は、月の土などさまざまな微粉末の加工に使用できます」と王功氏は語った。

報道によると、実験は6月12日に始まり、6月13日の午後に終了した。計28回の微小重力飛行、2回の月重力飛行、2回の火星重力飛行が実施された。搭載された2組の装置から、合計10個のセラミックサンプルと8個の金属サンプルが採取された。

今回製造された陶器のサンプルには、エンボス加工が施された手のひら半分ほどの大きさの陶器の国旗、五芒星と「中国」の文字、六角形の構造部品、いくつかの立方体などが含まれている。金属サンプルにはネジと小さなレンチが含まれていました。

「この技術を使って平らで規則的な物体を作れるかどうか検証したい。また、さまざまな重力条件下でのサンプルの密度もテストする予定だ」と王功氏は語った。「得られたサンプルの品質は非常に良好で、このプロセスがさまざまな重力条件に非常に適応性があることを示しており、このアイデアが実現可能であることを証明している」

同氏は、この新技術により、将来の宇宙探査ミッションにおいて、半導体、生物用足場、光学部品、微小電気機械システムなどの製品をその場で迅速に製造できるようになると期待していると述べた。また、月の塵や土などの月資源を現場で利用するための新たな技術的アプローチも提供し、宇宙製造分野に大きな影響を与えるだろう。

王宮氏は、現在の実験で使用されている機器は依然として人手による操作が必要だと述べた。「私たちの将来の目標は、人間やロボットの介入なしに地球外で製造業を行えるようにすることです。しかし、そのようなスマートデバイスはより複雑になるでしょう。」

「米国のイーロン・マスク氏と彼のスペースX社は現在、人類を他の惑星に送る方法に取り組んでおり、一方私たちの研究所は人類が他の惑星で生き残る方法を研究している」と王宮氏は語った。

中国科学院宇宙製造技術重点実験室は、先進的な宇宙製造技術に重点を置く世界初の実験室であると伝えられている。2016年に中国初の「宇宙3Dプリント」技術実験を主導した後、2年以上の研究と準備を経て、今回のミッションで使用されたナノスケールの固体セラミックペースト材料、3Dプリントセラミック耐高温金型、実験装置2セットを自主開発し、中国の宇宙ステーション、軌道上サービス、深宇宙探査ミッションにおけるさまざまな材料の高精度製造に必要な技術基盤を築いた。

出典：新華網

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