バーミンガム大学は金属 3D プリンターを宇宙に送るためにどのような取り組みを行ってきましたか?

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-20 11:00 に最後に編集されました。

3Dプリンターを宇宙に送ることは、長い間、人類の宇宙探査の課題となってきました。Antarctic Bearが以前報じたように、NASAと欧州宇宙機関（ESA）は、プラスチック製の3Dプリンターを国際宇宙ステーションに次々と送り込み、これらの3Dプリンターが無重力環境で動作し、宇宙ステーション用の小さなプラスチック部品を迅速に製造できるようにしています。 NASAの指導の下、産業用3DプリンターメーカーnScryptと生物インクサプライヤーBioficial Orgが共同開発した宇宙生物3Dプリンターも、無重力状態での人体組織の3Dプリントテストに合格し、宇宙への次のステップに備えている。

3D プリンターの宇宙への旅は、プラスチックや生物の 3D プリンターに限定されません。金属 3D プリンターを国際宇宙ステーションに送ることも計画されています。英国バーミンガム大学の先端材料・プロセス研究所（AMPラボ）の科学者チームが微小重力金属3Dプリンターを開発した。条件が整えば国際宇宙ステーションに設置される予定だ。バーミンガム大学の研究チームは、この特殊な金属 3D プリンターを開発する過程で、どのような問題を解決する必要があったのでしょうか?この 3D プリンターの何が特別なのでしょうか?

無重力を克服し、後処理と電力の問題を解決<br /> 無重力状態では、誰でも何でも浮き上がることは想像に難くありません。金属 3D プリントでよく使用される粉末材料も例外ではありません。粉末材料は、レーザーで溶かされるのを待って粉末ボックス内の固定位置に静かに留まるのではなく、浮き上がります。したがって、金属印刷材料が重力のない状態で溶融され、指定された場所に堆積されることを保証することは、宇宙での金属 3D 印刷を完了するために解決する必要がある問題です。

画像クレジット: アマンダ・フィールド
それで、バーミンガム大学の研究チームはこの問題をどうやって解決したのでしょうか?バーミンガム大学が開発した微小重力金属3Dプリンターは、アルミニウム金属の3Dプリントが可能です。印刷材料はアルミニウム金属粉末ではなく、アルミニウム金属線です。金属線の3Dプリント技術は、直接エネルギー堆積（DED）3Dプリント技術です。印刷中、アルミニウム線が 3D プリンターに送り込まれ、融点まで加熱され、指定された形状に押し出されます。アルミニウムが冷えると、表面張力により、印刷された材料は重力に頼ることなく層ごとに融合します。

3Dプリントが完了した後には後処理が必要であり、国際宇宙ステーションでの金属3Dプリントも例外ではありません。したがって、宇宙ステーション内で金属 3D プリント部品を後処理する方法も、バーミンガム大学が解決しなければならない問題です。バーミンガム大学が使用する金属 3D 印刷技術は、金型を必要とせずに金属部品の自由なニアネットシェーピングを直接実現できる、ノルスクチタニウムの高速プラズマ堆積技術に似ています。ただし、部品の 3D プリントが完了した後も、最終的な精度を実現するために機械加工が必要になります。このため、バーミンガム大学の研究チーム責任者であるカーター教授は、国際宇宙ステーションでの金属部品の迅速な製造を完了するには、この金属3Dプリンターに加えて、部品の仕上げを完了するためのCNC工作機械も必要だと考えています。印刷中に生成されたサポート構造の除去も、後処理段階で考慮する必要がある問題です。カーター教授は、サポートが除去されやすい部分の内部の弱い部分にサポート構造を追加する必要があると考えています。

研究チームが考慮する必要があるもう1つの問題は、国際宇宙ステーションの金属3Dプリンターの電源要件です。研究チームは、金属3Dプリンターの電力が1500ワット未満であることを保証する必要があります。現在開発中の微小重力金属3Dプリンターは、この目標を達成しました。デバイスの電力は1300ワットで、一部のキッチン電気ケトルの電力よりも小さいです。

無重力テストの結果はどうですか?
バーミンガム大学の微小重力金属 3D プリンターは、プロジェクトの開始からプリンターの誕生まで約 3 年かかりました。バーミンガム大学の研究チームと欧州宇宙機関のエンジニアは、微小重力環境で金属 3D プリンターをテストしました。テストは、エアバスの微小重力テスト機 3 機で実施されました。各機は、22 秒間の微小重力放物線飛行を 31 回実施し、合計テスト時間は 30 分以上でした。

画像出典: Novespace
22 秒というテスト時間は短いように思えるかもしれませんが、Cater の研究開発チームはすでに豊富な実験データを取得しており、微小重力環境における溶融金属材料の表面張力を利用して金属堆積を実現するというコンセプトが有効であることを実証しています。無重力テスト中、研究チームは金属材料の非常に薄い層を堆積させる実験も行い、良い結果が得られた。

微小重力金属3Dプリンターの初期テストは良好な結果を達成しました。研究チームの次の目標は、国際宇宙ステーションの無重力環境で印刷環境を一定温度に保つ方法の問題を解決することです。国際宇宙ステーションの環境でアルミニウム金属が溶けるときに発生する熱により、周囲の温度が500〜600度まで上昇します。研究チームは、一定温度を実現するために複数の冷却方法をテストする必要があります。

宇宙の無重力環境での金属 3D プリントの第一歩が完了しました。バーミンガム大学が開発した金属 3D プリンターが国際宇宙ステーションに送られ、実際の金属 3D プリントの宇宙旅行が始まるのはいつでしょうか? 研究開発責任者のカーター教授は、これは困難な課題だが、完璧な状況であれば2020年までに目標を達成できる可能性があると述べた。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
3Dプリントが宇宙探査を支援：宇宙船製造の未来ロシア初の宇宙3Dプリンターが2018年に国際宇宙ステーションに送られる

バーミンガム大学は金属 3D プリンターを宇宙に送るためにどのような取り組みを行ってきましたか?

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