サンディア国立研究所が3Dプリント望遠鏡に新たなアプローチ

サンディア国立研究所のチームは、よく知られている 3D プリント技術を使用して望遠鏡を構築し、積層技術を使用して製品を設計および製造する方法を実証しました。この設計は、この技術の長所と短所の両方を示しています。テッド・ウィンローは、従来のアプローチとは対照的に、手描きからコンピューター支援設計、機械加工部品へと移行する標準的な手法を使用した、新しい設計ツールとしての積層造形の実現可能性を実証するための 3 年間のサンディア研究所開発研究プロジェクトを主導しました。

このプロジェクトの目的は、精密部品の印刷に重点を置くのではなく、低精度の 3D プリント部品と精密ツールを組み合わせることです。つまり、積層造形技術を使用して、低精度の製品部品を迅速に設計および製造します。

「従来の設計と比べて微妙な違いがあり、設計方法も異なる必要がありますが、それが標準設計プロセスに組み込まれていません」とウィンロー氏は言う。「チームは、3Dプリント部品とモジュール設計を使用し、望遠鏡の光学設計に画像補正アルゴリズムを提供することで、従来の方法で製造された望遠鏡の3分の1の時間、従来の製造コストの約5分の1で、より軽量で安価な地上設置型望遠鏡を製造しました。これらすべてがコスト削減に貢献しました。」

この技術は、定期的なコストを節約します、とウィンロー氏は付け加えました。「部品のすべての部分は正確でなければなりませんが、（各部品の機械加工は）一度きりの費用ではありません。10年間使用できるツールセットを1つだけ購入すれば、生産を開始したときにコストを節約できます。また、各部品の機械加工を待つ必要がないため、時間も節約できます。」

厳しい許容差と精密な組み立て精密構造を構築するには、2 つの方法があります。各材料を正確な許容差で製造して組み立てを簡素化するか、部品を粗くして非常に精密な組み立て技術を使用してサイズの不足を補うかです。

機械加工では極めて正確な寸法の部品を作成できますが、製品を安価に製造したり、場合によっては機能性や重量の点で利点がある複雑な 3D プリント製品を製造したりすることはできません。付加製造技術では、部品を作成すると同時に、ポリマー、セラミック、金属などの材料を成形することができます。現在、この技術が材料の特性にどのような影響を与えるか、また特性の変化が特定の用途で何らかの役割を果たすかどうかを調査する研究が進行中です。
サンディア国立研究所のチームが積層造形技術を使用して作成した望遠鏡の詳細図。出典：サンディア国立研究所
「材料の品質が期待どおりでなくても気にしないシステムを設計できるでしょうか。部品の寸法精度が悪くても気にしないシステムを設計できるでしょうか。そのシステムを AM 精度に左右されないようにすれば、AM 技術のメリットをすべて活用できます」とウィンロー氏は言います。

たとえば、標準的なカメラにはフランジがあり、フランジの位置によってレンズの位置が決まるため、非常に正確でなければなりません。サンディアのプロジェクトでは、望遠鏡のレンズと連動する敷居のない真っ直ぐなチューブを作成しました。しかし、ウィンロー氏は「レンズを非常に正確な位置に保持するために、非常に精密なツールを使用しています。レンズを正しい位置に置き、その周りにエポキシを注入して所定の位置に保持します。レンズを所定の位置に保持するのに役立つエポキシのおかげで、部品の寸法はそれほど精密ではありませんが、全体としては精密です」と語った。

サンディアは、望遠鏡のフレームの一部をチタンの曲面全体に設計する特許を申請した。フレクシャとは、剛体間のジョイントのように使用されるさまざまな要素を指します。接続、直線運動、または回転運動は、曲げ要素によって生成されます。ガラスに金属製の硬い部品を取り付けるのは、温度変化に応じて 2 つの材料が異なる速度で膨張および収縮するため、ガラスが歪んだり、割れたりする可能性があるため、うまくいきません。

コイルスプリングのようには見えませんが、曲げるとスプリングのように機能します。サンディアの設計はほぼ円筒形で、長さ約2インチ、直径0.75インチ、非常に薄い湾曲した刃が付いています。ミラーがカーボンファイバーバックボーンと結合する部分の膨張と収縮の応力を軽減するために、3 つのフレクシャマウントがミラーにエポキシ接着されています。

サンディア国立研究所のチームは、積層造形法を用いて、望遠鏡で撮影した生画像とソフトウェアによる補正を利用して、鮮明でくっきりとした画像を作成しました。出典: サンディア国立研究所サンディアはプロジェクト中に設計されたコンポーネントの特許を取得しようとしている<br /> 精密機械設計チームは、サンディア国立研究所の光学設計者ジェフ・ハント、アルゴリズムの専門家デニス・リー、エリック・シールズを招き、共同作業を行いました。ウィンロー氏は、レンズの設計により元の画像に歪みやその他のエラーが生じると述べた。ソフトウェアアルゴリズムは他のアルゴリズムよりもこのタイプのエラーをうまく修正するため、レンズ設計におけるエラーはアルゴリズムが修正するのが得意なタイプです。

「このアイデアは、光学システムの精度を下げて、画像を事後にソフトウェアで修正するというものです」とウィンロー氏は言います。「機械的なハードウェアが積層造形の欠陥に影響を受けないシステムを設計し、それを利用するのと同じように、ジェフはシステムの光学部品を最適化して、アルゴリズムでは不可能だった画像特性をソフトウェアが維持できるようにしました。これで、従来の光学システムの 3 分の 1 のコストで同じパフォーマンスが得られます。」

プロジェクトは終了したが、サンディア国立研究所の構造設計者らは現在、そこから得た情報を活用していると彼は語った。

「このプロジェクトは、付加製造によって製品の製造がいかに迅速化、低コスト化できるかを示しています。実際、諦められる部分があれば他のソリューションで補うことができ、設計の面で新たな領域が開かれます」とウィンロー氏は結論付けた。

出典: Materials Science Online

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