形状記憶ポリマー＋導電性材料、ESAはデスクトップマシンを使用して4Dプリントを実現

2023年6月2日、アンタークティックベアは、欧州宇宙機関（ESA）のプロジェクト請負業者であるZortraxの研究開発チームが、航空宇宙産業向けの新しい4Dプリント技術を開発していることを知りました。この新しい4Dプリンティング技術は、Zortrax社のM300 Dual FDMプリンターとZ-SUITEの改良版を使用して、形状記憶ポリマーと導電性材料で作られた構造物を3Dプリントするもので、将来の宇宙ミッションに応用されることが期待されていると報告されています。

3D プリンティングと比較すると、4D プリンティング技術の 4 番目の次元は時間です。 4D プリントされたオブジェクトは、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変更できます。
Zortrax SA の研究開発責任者である Michał Siemaszko 氏は、次のように述べています。「4D プリントは宇宙産業にとって大きな関心事です。理論的には、この技術により、エンジニアやミッションデザイナーはアンテナ、ブーム、さまざまなセンサーなどの展開可能な構造物の重量を軽減できます。従来の方法で製造されたこのような構造物の重量は、常に構造物自体とそれを展開するためのメカニズムの合計です。ただし、展開メカニズムを完全に排除することができれば、構造物をさらに軽量かつ小型にすることができます。」
△Zortrax社がESAに納入した4Dプリント技術デモンストレーター。
2013年、MITの研究チームは、熱刺激にさらされることで作動するプログラム可能な形状変化機能を備えた物体を3Dプリントしました。しかし、この技術が実用化されるまでには、克服すべき課題がまだいくつか残っています。たとえば、印刷された物体の変形プロセスは環境の温度変化に完全に依存しており、温度が特定のレベルに達したときにのみ開始されます。物体全体が同時に加熱されるため、このような構造は順次展開できません。また、環境を制御することは、特に宇宙では必ずしも選択肢ではありません。 ESA の資金提供を受けている Zortrax は、これらの課題の解決に取り組んでいます。
Zortrax の研究開発チームは、同社の M300 Dual FDM 3D プリンターと Zortrax の 3D 印刷ソフトウェア Z-SUITE のアップグレード版を使用して、形状記憶ポリマーと導電性材料で作られた構造物を 3D 印刷しました。
△ZortraxのM300デュアル3Dプリンター。
「M300 Dualのデュアルエクストルーダー3Dプリントプロセスとこれらの先進的な材料を組み合わせることで、個別のアクチュエーター、エンジン、制御回路を必要とせずに動作できる信頼性の高い軽量メカニズムを構築する明確な道が開かれます。これはエネルギーなどの分野で非常に重要です」と、Zortrax SAの材料開発責任者であるDawid Piastowski氏は述べています。
これらの機構では、形状記憶ポリマーがアクチュエータとして使用され、導電性材料が電気ヒーターとして使用されます。このようにして、ボタンに触れるだけで、曲げる、ねじる、広げるという 3 種類の動きを表現できるテクノロジーデモンストレーターを構築できます。

ESA の材料物理化学エンジニアである Ugo Lafont 博士は、次のように語っています。「4D 印刷メカニズムを作動させるために最も一般的に使用される刺激は温度です。宇宙用途では、温度変化の振幅が非常に大きくなる可能性があり、変形作動のトリガーとして使用できたとしても、段階的に制御することは困難です。そのため、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、熱誘導による形状変化機能を使用することですが、電流によって発生する熱を使用して、より制御された作動を可能にします。これらのコンセプトは、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する可能性があるため、評価されています。」
Zortrax にとって、このプロジェクトの成功は、より高度なプロジェクトへの道を開くものであり、この技術をさらに開発し、最終的には電気的に作動する 4D プリント部品を宇宙ミッションに備えるために、より多くの資金が必要になります。

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