UW のエンジニアが無重力状態で電子部品を 3D プリントし、宇宙製造における新たな課題を克服

この投稿は warrior bear によって 2024-5-21 19:41 に最後に編集されました。

はじめに: 将来、宇宙飛行士が長距離宇宙飛行を行う場合、現在のように地上からハードウェア部品の交換を要求することはできなくなります。人類が宇宙のさらに奥深くへ進出する前に、エンジニアは宇宙飛行士の装備の避けられない消耗によって生じる課題に対処する必要がある。
2024年5月21日、Antarctic Bearは、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者が宇宙製造で新たな進歩を遂げたことを知りました。彼らは初めて「無重力」状態でRAMデバイスユニットを3Dプリントすることに成功し、代替電子部品の宇宙製造に向けて一歩を踏み出しました。研究チームは2024年3月、フォートローダーデール・ハリウッド国際空港での放物線試験飛行中にこの実験を実施した。
△ウィスコンシン大学マディソン校の研究者らが、無重力状態で初めてRAMデバイスユニットを3Dプリントすることに成功し、代替電子部品の宇宙製造に向けて一歩前進した。左から右へ、カウラ・アフマド・アルハルビ、シュエペン・ジャン、レンジェ・ニエ、ハンタン・チン、レイン・ウルフ、ペンユ・チュー、ジェイコブ・コチェンバが、無重力3Dプリント技術をテストしたG-Force Oneの横でポーズをとっている。写真: ウィスコンシン大学マディソン校半導体、アクチュエータ、センサーなどの電子部品の宇宙製造能力を開発するために、ウィスコンシン大学の産業システム工学助教授であるハンタン・チン氏が率いるこの研究は、NASAの資金提供を受けた。これにより、交換部品を輸送することなく宇宙で修理を行うための実行可能な選択肢が提供されます。
チームは最初の2回の放物線テスト飛行中に技術的な問題に遭遇した。放物線テスト飛行は、短時間の無重力状態をシミュレートする上昇と急降下を含む約40分間の短い飛行である。研究者たちは、3回目で最後の飛行の1週間前、故障の潜在的な原因を解明するために1日12～15時間作業した。
ウィスコンシン州ポトシ出身の博士課程の学生で、チームのリーダーの一人であるレイン・ウルフ氏は、実験はこれらに大きく依存していると語った。
従来の 3D プリンティングでは、重力を利用してプリンターのノズルから材料を押し出しますが、いわゆる無重力環境では大きな課題が生じます。ハンタンキン助教授率いるウィスコンシン大学マディソン校のチームは、代替手段である電気流体力学 (EHD) 印刷を開発しました。 EHD 印刷では、電気を使用して液体材料を直径わずか 30 ミクロン (ウール繊維 1 本の平均幅とほぼ同じ) のノズルに通し、材料の流れを妨げる表面張力を効果的に克服します。
△電気流体力学的ジェット印刷実験装置。
「この小さなスケールでは、表面張力により液体がノズルから流れ出るのを妨げます」と、アイオワ州立大学、アリゾナ州立大学、インテル、その他の業界パートナーの研究者と共同研究しているハンタンキン教授は述べています。「次に、この表面張力を破るために電気力を適用します。」 EHD 印刷技術の利点は、無重力環境で機能する能力だけではありません。従来の 3D 印刷では、基本的にノズルのサイズによって液滴のサイズが決まります。しかし、当社の印刷システムでは、ノズルのサイズよりもはるかに小さな液滴を作成できます。わずか 2 ミクロンのノズルで、ナノスケールのパターンを作成できます。これが大きな利点です。」
チームは最終的に、最初の 2 回の飛行テストを妨げていた障害を特定しました。飛行機のエンジンからの振動がプリンターのキャリブレーションセンサーに問題を引き起こしていたのです。彼らは振動を補正するためにシステムのコードの一部を書き直すことで問題を解決し、電気・コンピュータ工学の大学院生である Pengyu Zhang が無重力状態で問題を解決するコードを書きました。
最初のテスト飛行中、チームは航空機のエンジンからの振動によって引き起こされる調整の問題に直面しました。彼らはシステムコードを書き直すことでこの問題を解決し、最終飛行で印刷を成功させることができました。 EHD プリンターは、手動制御により、半導体インクである酸化亜鉛を使用して 12 個以上のユニットを製造し、絶縁ポリマーインクであるポリジメチルシロキサンを使用してさらにいくつかのユニットを製造しました。
チームの最終テスト飛行で、その努力の成果が実を結びました。ウルフ氏と、現在イリノイ大学に通うウィスコンシン大学マディソン校の2023年卒業生のジェイコブ・コチェンバ氏の手動制御の下、研究室のEHDプリンターは12個以上のユニットの製造に成功し、絶縁ポリマーインクであるポリジメチルシロキサンを使用してさらに多くのユニットを製造しています。
仮設研究室での飛行後の分析により、プリンターがマイクロスケールおよびナノスケールレベルで成功したことが確認されました。チームは、EHD技術を業界パートナーのマルチツール3Dプリンターに統合することを目指し、2024年8月と11月に追加のテスト飛行を計画している。将来の目標には、個々のユニットの印刷から半導体デバイス全体の印刷へと進み、最終的には国際宇宙ステーションでその技術をテストすることが含まれます。これらのマイルストーンを達成することは、持続可能かつ自律的な宇宙製造能力の大きな進歩を示すことになります。

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