ポーランドの3DプリンターメーカーZortraxと欧州宇宙機関（ESA）：宇宙での4Dプリント技術の推進

この投稿は Coco Bear によって 2023-6-6 21:31 に最後に編集されました。

2023年6月、アンタークティックベアは、ポーランドの3DプリンターメーカーZortraxが障壁を打ち破り、欧州宇宙機関（ESA）と共同で宇宙探査を推進し、4Dプリント技術の開発を促進する1年間のプロジェクトを開始したことを知りました。

Zortrax の R&D チームは、Zortrax の M300 Dual 3D プリンターとカスタム Z-SUITE 独自の 3D 印刷ソフトウェアを活用して、複雑な 3D 構造を作成しました。研究者たちは、形状記憶ポリマーと導電性材料を使用して、応答性アクチュエーターやヒーターとして使用できる繊細な構造を構築しました。この素材は、曲げる、ねじる、広げるの 3 つの動作が可能で、それぞれボタンを押すことで作動します。 Zortrax 社は多額の資金をこの技術の発展に充て、電気的に作動する 4D プリンティングを宇宙に持ち込む計画です。

デュアル押し出し 3D 印刷技術と先進的な材料を組み合わせることで、信頼性の高い軽量のメカニズムを構築できます。さらに、これらのメカニズムは、個別のアクチュエーター、エンジン、制御回路とは独立して動作し、航空、エネルギー生産、防衛などの他のハイテク分野においても大きな前進となります。

時間次元<br /> 4D プリントの世界をさらに深く掘り下げていくと、興味深い第 4 の次元である「時間」が明らかになります。時間という変数を追加することで、印刷された物体は、加熱すると広がる折り紙構造のように、温度、湿度、電流などのさまざまな刺激に応じて形状やその他の特性を調整できます。このコンセプトが注目を集め始めたのは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のセルフアセンブリラボの共同ディレクターであるスカイラー・ティビッツ氏が、さまざまな技術会議でこのコンセプトについて議論し、推進し始めた2013年頃だった。

「4Dプリンティングは宇宙産業にとって大きな関心事です。この技術により、エンジニアやミッションデザイナーは理論的にはアンテナ、ブーム、各種センサーなどの展開可能な構造物の重量を軽減できる可能性があるからです」と、Zortraxの研究開発責任者であるミハウ・シエマスコ氏は述べた。「従来製造されていたこのような構造物の重量は、構造物自体とそれに関連する固定構造物の合計ですが、固定構造物をなくすことができれば、構造物をさらに軽量かつ小型化できます。」

△4Dプリント技術を用いて製作した電動展開デモ機。

4D プリンティングには明るい未来がありますが、多くの問題に直面しています。たとえば、4D プリンティングには、特定の刺激に応じて時間の経過とともに形状や特性を確実に変化させることができる適切な「スマート」材料が必要です。さらに、これらの変化を引き起こすには環境を制御する必要があります。ご存知のとおり、宇宙の過酷な環境では、環境問題がより顕著になります。 ESA からの資金援助のおかげで、Zortrax はこれらの問題の解決に取り組んでいます。

「4D プリント機構を作動させるのに最も一般的に使用される刺激は温度です」と ESA の材料物理化学エンジニアである Ugo Lafont 氏は言います。「宇宙用途に目を向けると、温度変化の振幅は非常に大きくなる可能性があり、形状変化の作動のトリガーとして使用できたとしても、徐々に制御することは困難です。したがって、宇宙システムでは、電気入力を制御する方が簡単です。このプロジェクトの背後にあるアイデアは、熱誘導形状変化機能を利用することですが、電流によって生成される熱を介して、より制御された作動を使用します。これらの概念は評価中ですが、この技術を使用すると、制御されたオンデマンドの動きと作動を提供する能力を維持しながら、複雑なシステムの部品数を削減できる可能性があります。」

3つの重要な要素
Zortrax のチームは、4D プリントの作成は、適切な材料、強力なソフトウェア、高度な 3D プリンターという3 つの重要な要素を中心に展開すると説明しています。

Zortrax はこの課題に立ち向かい、ガラス転移温度が他のどの製品よりも 50% 高い 75°C のカスタム形状記憶フィラメントを開発しました。徹底的なテストの結果、この素材は画期的な 4D 印刷システムに最適であることが証明されました。 Zortrax チームは 4D プリントの追求において、導電性フィラメントの必要性を認識しました。これらのフィラメントは電気的に活性化されたヒーターとなり、形状記憶効果を引き起こします。必要な仕様を満たすすぐに入手できるフィラメントがいくつかあるからです。熱特性と電気特性の両方を評価するための包括的なテスト段階を経て、Fiberforce Nylforce Conductive が、4D 印刷メカニズムにおける形状記憶ポリマーの加熱に最適なフィラメントとして浮上しました。

材料の選択後、チームは印刷プロセスに注意を向けました。目標は、2 つの異なる材料から部品を作る方法であるデュアルマテリアル 3D プリントを使用することです。これを実現するために、もともと ESA 向けに開発された Z-SUITE ソフトウェアの実験バージョンと、M300 Dual 3D プリンターのデュアル押し出し機能を組み合わせました。このプリンターは 2 つの動作可能なプリントヘッドを備えており、デュアルマテリアルプロセスを容易にします。 Zortrax は、3 つのユニークな 4D プリントデモンストレーターも設計しました。それぞれが曲げる、ねじる、広げるといった異なるタイプの電動動作を示しており、4D プリントの優れた汎用性を強調しています。

△4Dプリント技術を用いて製作したアクティブ回転運動デモンストレーター。

その他のプロジェクト
画期的な 4D 印刷プロジェクトに加えて、Zortrax は ESA と協力して他の 3D 印刷プロジェクトにも取り組んでいます。たとえば、2018 年に Zortrax は M200 3D プリンターを使用して衛星アンテナを 3D プリントし、衛星通信システムのパフォーマンスをテストしました。 2019年、両者は宇宙船や宇宙衛星の部品を製造する宇宙探査用3Dプリント技術の開発で協力した。

もう 1 つのプロジェクトは、高性能複合部品の製造用に Endureal 産業用 3D プリンターを改良することです。 Zortrax は、宇宙での使用に適した数少ないポリマーの 1 つを組み込んだ高温 Z-PEEK フィラメントが、Zortrax Endureal と互換性があることを認定しました。これは、Zortrax Endureal 3D プリンターで Z-PEEK を使用して印刷された 3D 部品を宇宙ミッションに打ち上げることができることを意味します。

これらの革新的な取り組みを通じて、Zortrax は航空宇宙分野での足場を強化し続け、進歩を推進し、新たな業界標準を確立しています。

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