【分析】宇宙3Dプリント技術の現状と展望

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-5-19 16:54 に最後に編集されました。

航空宇宙技術の発展に伴い、深宇宙探査、地球外基地の建設、さらには移民が徐々に研究議題に上るようになりました。これには、長期軌道上居住のための物資と生命維持の実現、宇宙応用施設（衛星）の建設、太陽系内の惑星探査基地の建設と運用が含まれます。これらは、宇宙探査活動に対する負荷、量、コストの面での既存のロケット打ち上げ方法の制限を克服し、深宇宙探査に必要な打ち上げプラットフォーム、ツール、機器を入手するために、効率的で信頼性が高く、低コストの「宇宙製造」をいかに実現するかに大きく依存しています。宇宙製造業では、太陽エネルギーや原材料などの宇宙資源を直接利用して自立性を実現できると同時に、宇宙の微小重力環境により、特大の部品をその場で製造・組み立てることも可能になります。従来の減法製造や等材料製造と比較して、3D プリント技術は、加工プロセスで中間金型が不要で、ニーズに迅速に対応でき、単一部品、小ロットのカスタマイズされた迅速な製造の利点があり、宇宙製造のニーズにより適しています。現在、我が国は有人宇宙飛行、宇宙ステーション建設、月探査などの計画を推進しており、「宇宙製造」能力を持つことは極めて重要です。宇宙製造、月資源利用、大型機能部品の現地製造を実現することは、我が国の宇宙探査にとって非常に重要な推進力と戦略的意義を持つことになります。宇宙探査における積層造形技術に対するさまざまな要求に応じて、宇宙積層造形技術の適用環境は、宇宙船内環境、軌道上の現場環境、惑星基地環境の 3 つの環境制約に分けられます。本稿では、これら 3 つの環境制約に焦点を当て、機内での積層造形、軌道上でのその場での積層造形、月面での現地での積層造形という 3 つの分野における国内外の最先端の探究をレビューし、直面している主要な問題を分析して議論します。
2 キャビン内の積層造形
2.1 微小重力電子ビームヒューズ堆積
NASA ラングレー研究センターは、金属部品の宇宙 3D プリントに関する研究を実施し、図 1 に示すように、宇宙飛行に適した軽量の電子ビームヒューズ堆積形成装置 (EBF3) を開発しました。軽量な装置は、最大104 Paのチャンバー圧力を備えた直径900 mmのアルミニウム合金成形チャンバーを使用します。エネルギー源として3〜5 kWの小型電子ビーム銃を使用します。堆積プラットフォームは300 x 300 x 150 mmのスペースで移動でき、堆積の原料として直径0.8 mmのアルミニウム合金2319（A12319）ワイヤを使用します。研究者らは、NASA の C-9 微小重力研究航空機で放物線飛行テストを実施し、微小重力環境が電子ビームヒューズ堆積プロセスと部品の性能に与える影響を研究しました。本研究では、図2.aに示すように、0g、1g、2gの条件下で電子ビームヒューズ堆積法で形成された部品の微細構造と寸法精度の関係を比較し、プロセスパラメータを最適化しました。最終的に、図2.bに示すように、2つの飛行計画を通じて全高30mmの円筒形の薄肉部品が得られ、0g条件下での電子ビームヒューズ堆積プロセスの実現可能性が検証されました。

2.2 微小重力溶融堆積
1993 年以来、NASA マーシャル飛行センターは、ポリマー材料の熱溶解積層法の宇宙適用性に関心を持ち、パラフィン、ナイロン、ABS (PPSF)、PC、Ultem 9085 などの一連のポリマー材料の宇宙環境と毒性の研究を行ってきました。1999 年には、ABS と Ultem 9085 が KC-135 航空機の放物線飛行テストに選ばれ、1 時間 20 分の無重力テストを完了し、微小重力熱溶解積層法の予備検証を行いました。

2014年11月25日、NASAとMade In Spaceは協力して世界初の宇宙3Dプリントを実現しました。国際宇宙ステーションの微小重力科学グローブボックス（MSG）で「MADEINSPACE/NASA」の文字が入った銘板を印刷することに成功し（図3.a）、国際宇宙ステーションで約20の構造サンプルを製造しました。これらの構造サンプルは、材料性能テスト、微小重力環境での成形性能テスト、構造ツールの機能テストの3つのカテゴリに分かれています（図3.b）。これらは、地上の3Dプリントサンプルとの包括的な比較分析に使用され、宇宙環境が3Dプリントプロセスと部品の性能に与える影響を研究します。欧州では、欧州宇宙機関（ESA）の認可を受けてイタリアのアルトラン社が開発したESA初の宇宙用3Dプリンター「POP3D（ポータブル・オンボード・プリンター）」も試作機の開発を完了し、2015年に国際宇宙ステーションに送られた。 POP3D プリンターは動作時にほとんど電力を必要とせず、重量は約 5.5 kg で、生分解性の PLA フィラメントを原材料として使用します。

2.3 宇宙用途向け高性能複合材料 2.2節で述べたように、現在の軌道上試験ではABSやPLAなどのエンジニアリングプラスチックを原料とし、プラスチック部品の製造には熱溶解積層法を採用しており、高性能な部品の製造が困難となっている。
このプロセスのボトルネックを克服し、高性能材料で作られた機能部品の迅速な空間製造を実現するために、西安交通大学は、連続繊維強化複合材料の3Dプリントのための新しいプロセス方法を提案し、複合材料3Dプリントノズルの試作を予備的に完了し、図4.aに示すように、連続繊維強化熱可塑性複合材料の3Dプリントプロセスの実現可能性を検証するための実験プラットフォームを構築しました。作業プロセスと印刷サンプルを図4.bに示します。3Dプリントされた10重量％CF / ABS複合材料サンプルの機械的特性を調べました。テスト結果によると、平均曲げ強度は127 MPaに達し、従来のABS部品よりもはるかに高く、同様の従来の複合材料よりも約140 MPa低くなっています。引張強度は、熱溶解積層法3DプリントABSサンプルの6倍、射出成形ABSサンプルの3倍でしたが、従来のCF /
ABSサンプルの場合、図5.aに示すように、繊維の引き抜きと破損が3Dプリント複合材料の引張破壊形態です。3Dプリント複合材料プロセスの実現可能性は予備的に検証され、繊維強化効果が証明されました。同時に、図5.bに示すように、繊維束/マトリックスの溶融含浸不足や剥離など、解決する必要がある重要な問題があることもわかりました。

2.4 宇宙廃棄物のリサイクルと再製造プロセス 米国のMadelnS-Pace社は、宇宙廃棄物のリサイクル・再利用の需要に応え、宇宙材料の利用を最大化するために、使用済みまたは破損した廃棄部品や材料をリサイクルし、宇宙での軌道上3Dプリントで再利用するためのフィラメントにする原材料リサイクル・再利用装置を開発しています。 2.3で製造された連続繊維強化熱可塑性複合材料については、3D印刷プロセスが一定の印刷パスに従って層ごとに印刷されるため、複合材料内の繊維は連続的かつ整然と配置されます。このプロセス原理に基づいて、西安交通大学はCF / PLA部品の繊維リサイクルおよび再製造技術を予備的に研究しました。

図6（a）に示すように、この技術は、熱風ガンを使用して、逆印刷経路に沿って非接触で加熱および溶融し、ワークピースから連続繊維を層ごとに抽出し、図6（b）に示すように、金型を通して複合フィラメントに再成形し、図6（c）に示すように、連続繊維強化複合部品の3D印刷に再度使用します。これにより、連続繊維のリサイクルと複合材料の再製造が十分に実現され、連続繊維の使用効率が最大化され、環境への二次汚染が軽減されます。高性能複合材料のリサイクル・再製造技術は、廃棄物のゼロエミッションリサイクル・再製造を実現し、宇宙環境資源不足のボトルネックを打破することができ、非常に重要です。予備実験の結果、リサイクル複合プリプレグを原料として再製造した部品の機械的特性は、最初の印刷部品の機械的特性より約 25% 高いことが示されました。熱サイクルプロセスによって引き起こされるマトリックス材料の老化については、現在も研究中です。
3 軌道上でのその場積層造形
3.1 宇宙環境でのその場3Dプリント 現在、大型宇宙船の構造部品はすべて展開構造を採用しており、地上で組み立てられ、折りたたまれてロケットの保護カバー内に配置され、軌道投入後に展開されます。構造サイズはロケットの保護カバーとペイロードの容積によって制限され、非常に高価です。 2013年、NASAは宇宙船外機の大型構造物の軌道上製造ソリューション™として、米国Tethers Unlimited社のSpiderFab技術を採用した。同社は、熱可塑性繊維プリプレグテープや複合繊維束を原料として溶融押出成形した複合パイプを宇宙空間で押出成形し、スパイダーロボット（SpiderFab）で組み立て・溶接することで、図7に示すような大型トラス構造物を製造するプロセスを提案した。 SpiderFab テクノロジーにより、宇宙船は軌道上で「Trusselator™」3D プリントとロボット工学テクノロジーを使用して、アンテナ、太陽電池パネル、花形のスターシェード、センサーマスト、軌道シュラウドなどの大型構造物を宇宙で構築および組み立てることができます。
3.2 宇宙用多目的フレキシブル3Dプリントシステム 西安交通大学は、多自由度3Dプリント技術の研究を行い、3Dプリントツールボックスモジュールを設計し、そのモジュールを船外マニピュレーターのツールボックスアクセサリとして使用して、船外空間での3Dプリント機能を実現することを提案しました。現在、3Dプリントツールボックスモジュールは地上で組み立てられており、ロボットの把持、印刷などの動作が手持ち式でシミュレーションされ、研究の実現可能性が予備的に検証されています。これを基に、図 8 に示すように、空間領域で 6 DOF 3D プリントを実現できるマルチ DOF 3D プリント原理のプロトタイプが構築されました。同時に、宇宙の複雑な環境に基づいて、極限の宇宙環境向けの予備的な3Dプリント戦略が策定され、関連する実験検証が実施されました。

4 月面でのその場 3D プリント NASAマーシャル宇宙飛行センターは、米国の月帰還計画（コンステレーション計画）の支援を受けて、その場での製造と修復（ISFR）[12]とその場での資源利用（ISRU）に関する体系的な研究を行ってきました。 ISFR/ISRUの研究は、宇宙製造技術評価、宇宙資源利用の実現可能性分析、地上検証試験等に主眼を置いており、電子ビーム溶融（EBM）技術、コンクリート押出（Concrete Extrusion System）プロセス、月面土壌資源利用等の積層造形プロセスや材料に関する体系的な研究が行われています。

4.1 高エネルギービームによる月面土壌の選択的焼結
NASAマーシャル宇宙飛行センターが実施した月面土の電子ビーム選択焼結プロセスの実現可能性調査では、月面土の鉱物組成にアルミニウム、チタン、鉄などの元素が大量に含まれていることが判明しました。月面土選択焼結の最大の利点は、月面の原材料を3Dプリントに直接使用できることです。ただし、問題は、プロセスを最適化し、十分な強度を持つ部品構造を取得し、従来のセラミック焼結が直面する材料の脆性の問題を回避する方法です（図9.aに示すように、大量のガラス質材料が沈殿しているのが確認できます）。この問題を回避するために、NASAの研究者はアルミニウム粉末をバインダーとして使用し、それを模擬月の土壌と混合して電子ビーム選択焼結実験を行った。サンプルの微細構造を図9.bに示します。アルミニウム粉末は溶融して月の土壌を囲み接続しましたが、機械的特性に関する関連データは報告されていません[17]。
4.2 月面土の押し出し成形プロセス
NASA のマーシャル宇宙飛行センターは、月の土壌をベースにした無水セメントの製造と特性、およびコンクリートの押し出し成形プロセスに関する研究を行ってきました。 NASAはトウタンジ氏らと協力して無水セメントの開発と性能評価を行った。研究チームは、月の土壌から抽出できる硫黄を結合剤として使用し、これを模擬月の土壌材料と混合して硫黄セメント（ルナクリートとも呼ばれる）を調製した。従来の水系セメントとは異なり、硫黄セメント混合物は硫黄の融点（140℃）以上に加熱してから冷却することで、瞬時に最適な機械的性質を実現し、水を使わないコンクリート構造物が得られる。同時に、NASA は南カリフォルニア大学と協力して、図 10 に示すように、コンクリート構造物のニアネット成形を実現するために、対応するコンクリート押し出し成形システム (押し出しコンクリートシステム、またはコンタークラフティング) を開発し、この装置の月や火星への適用可能性を検証するための地上テストを実施しました。
4.3 月の土壌無機バインダー 3D プリント 欧州宇宙機関（ESA）の資金提供を受けて、フォスター・アンド・パートナーズ、モノライト、アルタ・SpA、ピサ大学からなる研究チームが、地元の材料を使用して月面に居住可能な基地を建設する方法を研究している[19]。研究チームは、モノライトが開発したDシェイプ技術に基づく3Dプリンターを使用してドームを建設した。この装置は、幅6メートルのフレームをベースにしている（図11.aを参照）。プリンターのノズルアレイは、フレーム内を移動する。印刷される各単層の厚さは5～10mmである。無機バインダー溶液を砂のような建材に吹き付ける。溶液と砂が反応して固まり、大理石のような質感の固体構造を形成する。研究チームは、模擬月の土壌を使用して地上テストを行い、図11.bに示すようにハニカム構造部品を印刷した。
宇宙3Dプリントの5つの技術的課題と展望
5.1 宇宙3Dプリント技術の課題 高真空、微小重力、高放射線、極度の温度、機器の負荷電力要件など、宇宙の極端な環境条件は、3D プリントのプロセスと材料に厳しい要求を課します。宇宙環境リソースを活用し、宇宙製造に適した 3D プリントのプロセス、機器、材料を開発することが重要です。宇宙の高真空状態（真空度 10-5 Pa 未満）は、3D プリントプロセスに最適な製造環境を提供し、地上での製造プロセス中に酸化や気孔の混入などが部品の性能に及ぼす影響を回避できます。しかしながら、キャビン外の過酷な環境条件は、宇宙 3D プリント技術にとって依然として大きな課題となっており、それは主に以下の側面に反映されています。

1) 微小重力:宇宙の微小重力環境は、3D プリント材料の形状とプロセス装置の種類に新たな要件を提起しています。微小重力が 3D プリントプロセスの熱伝達と材料凝固プロセスに与える影響はまだ明確に理解されておらず、3D プリント部品の性能への影響についてはさらに調査する必要があります。
2) 極端な温度:宇宙空間の高真空と強い太陽放射の下では、日陰/照射面の温度変化範囲は -100～-200°C/100°C に達することがあります。極端な温度差により、3D プリントの温度場は極端に不均一になります。
3) エネルギー利用：宇宙施設建設基準によれば、宇宙における単一装置の電力は1000W未満でなければならない。3Dプリントプロセスとその温度場制御のエネルギー要件を満たすには、新たなエネルギー利用方法と温度制御戦略を採用する必要がある。
4) 材料:宇宙 3D プリントで使用する材料は、高品質、高強度、極度の温度耐性、宇宙放射線耐性などの要件を満たす必要があります。効率的なリサイクルと再製造も必要になる可能性があり、宇宙での材料の現場利用の問題を解決する必要があります。同時に、地上で使用されている既存の3Dプリント設備は、一般的に質量と容積が大きく、エネルギー消費量も高いため、宇宙飛行のニーズに適応することが困難です。3Dプリント設備は、ペイロード打ち上げ時の過酷な作業条件に耐え、設備の故障率を最小限に抑えられるように、質量、容積、エネルギー消費の面で再設計する必要があります。

5.2 宇宙3Dプリント技術の展望 宇宙製造技術を実現するために、NASAは有名な「質量なしの探査」概念を提唱し、初めて宇宙製造を段階的に実現するための4つの段階を分析しました。第1段階は、地上ベースの製造技術の探査であり、地上実験を使用して宇宙製造の実現可能性を検証します。第2段階は、宇宙ステーションプラットフォームに基づく宇宙製造技術の実験検証です。第1段階の研究成果に基づいて、宇宙ステーションプラットフォームで宇宙製造と修理が行われ、小型衛星の軌道上製造、プラスチック部品の軌道上リサイクル、軌道上金属部品の製造実証などの実験が行われます。第3段階は、惑星表面プラットフォームに基づく宇宙製造技術の検証です。

重点は、現地の宇宙資源（月の土壌など）の利用技術と宇宙部品や建物の建設技術の解決にあり、3段階の実験検証を通じて、深宇宙探査ミッションの最終的な実現に向けて技術サポートを提供しています。最近、わが国は宇宙ステーションの建設と月探査プロジェクトを積極的に推進しています。宇宙3Dプリント技術を使用して宇宙製造を実現し、宇宙ステーションの建設と月探査に製造手段のサポートを提供するには、わが国の3Dプリントと宇宙技術分野の相互協力が必要であり、宇宙3Dプリント技術の発展を促進します。NASAの「質量のない探査」を参考に、わが国の宇宙ステーション建設と月探査プロジェクトの実際のニーズと組み合わせて、徐々に実装することができます。

1) 宇宙環境条件下での 3D プリントプロセス、装置、材料システムの実現可能性を調査するために地上検証テストを実施します。宇宙の極限環境が3Dプリントプロセスに与える影響を考慮し、高性能ポリマーとその複合材料、無機非金属材料、宇宙環境での多自由度大規模製造などの3Dプリントプロセスと設備のシミュレーションに重点を置いた地上検証実験を実施する必要があります。PEEK、PEIとその複合材料など、宇宙用途の軽量で高性能な材料の材料システムと3Dプリントプロセスを研究し、高性能ポリマーとその複合材料の効率的なリサイクル方法を模索します。同時に、月の土壌、小惑星の表面材料など、宇宙での原位置材料の利用戦略を積極的に模索し、材料組成が3Dプリントプロセスと製品性能に与える影響を研究する必要があります。

2) 宇宙3Dプリンティングの軌道上実験を実施します。我が国の宇宙実験を活用して、実験衛星、実験宇宙船、宇宙ステーションで宇宙3Dプリンティング（屋内および屋外環境を含む）の軌道上実験を実施できます。ペイロードの打ち上げプロセス、宇宙環境などが機器の安定性、3Dプリンティングプロセス、部品の微細構造と機械的特性に与える影響を研究し、宇宙3Dプリンティングプロセス機器の最適化のための基礎実験データを提供します。

3) 我が国の月探査プロジェクトと連携し、惑星表面プラットフォームや建物の3Dプリントプロセスを研究し、極端な温度差、宇宙放射線などの環境要因が宇宙部品の構造設計にもたらす新たな課題を解決します。宇宙での現地資源利用の研究を行い、月面の資源とエネルギーを活用し、月面での現地製造を研究し、深宇宙探査のための効果的な製造拠点を提供します。

編集者: Antarctic Bear 著者: Tian Xiaoyong Li Dichen Lu Bingheng 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室さらに読む:
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