JPLは、2022年に宇宙船のアンテナ、電磁シールド、金属繊維の3つの主要な積層造形アプリケーションのハイライトを発表

この投稿は warrior bear によって 2023-4-11 21:52 に最後に編集されました。

2023年4月11日、アンタークティックベアは、JPLが2022年に達成された重要な技術的進歩を発表したことを知りました。これは、新所長のローリー・レシン（2021年8月に退職したマイケル・ワトキンスの後任として、2022年5月16日に正式に就任）と新しい主任技術専門家のトム・クウィック博士の初登場でもありました。
NASA ジェット推進研究所の上級研究科学者 (SRS) 兼所長であり、世界の積層造形業界では著名な人物であるダグラス・ホフマン氏は、JPL の積層造形研究のハイライトは主に次の 3 つのプロジェクトに反映されていると指摘しました。

最初のプロジェクトは、熱安定性のためにトポロジー的に最適化された裏付け構造を備えた宇宙船アンテナ用の 3D プリントアルミニウム反射鏡です。これはポール・ゴールドスミスが主導し、印刷作業の大部分はテクニカル・インフュージョン・グループのライアン・ワトキンスが担当しました。
2 番目のプロジェクトは、指向性エネルギー堆積 (DED) を使用した高性能磁気シールドの開発です。この技術により、磁気用途向けのミューメタルや機能的に傾斜した多金属合金などの磁性材料を使用して複雑な形状を製造できます。この作業は、Samad Firdosy が主導しています。
最終プロジェクトは、ホフマン氏がカリフォルニア工科大学と共同でネイチャー誌に発表した、3Dプリントされた布地への干渉に関する研究でした。この作品は、テネット・ボルディニティカセム氏が率いるカリフォルニア工科大学との新たなコラボレーションによって新たな命を吹き込まれ、プリント生地を使用して形状を変えるアンテナを制作しました。

「NASA の宇宙船や探査機の積層造形については、まだ解明されていないことがたくさんあります」とホフマン氏は語ります。「火星探査機の部品の印刷に加え、JPL の積層造形における最大の成果の 1 つは、飛行要件を満たすアルミニウムおよびチタン部品の LPBF プロセスを確立したことです。これにより、宇宙船や探査機の部品を印刷できるようになり、他の NASA センターにも役立つでしょう。」
宇宙船に3Dプリントされた布地
JPL は、宇宙で展開された後に希望の形状に硬化できる新しい 3D プリント生地を開発した。鎖かたびらにヒントを得たこれらの形状変形素材は、それぞれが独立して小さな距離を移動できる連結した薄板ユニットを印刷して作られており、特定の用途に最適なカスタム構成が可能です。これらの柔軟なシートは、打ち上げ用のロケットフェアリングに収まるように非常に小さなサイズに丸めたり折りたたんだりすることができます。変形可能な構造を作成するには、最終的な剛性構造を大まかに理解することが必要であり、必ずしも正確である必要はありません。また、適切な連結ユニットの設計も必要です。
シートは柔軟な状態で成形することができ、圧力を変化させることで硬さを調整し、希望の形状を実現できます。次に、隣接するシートがカチッとはまると、シートに力が加わり、最終的な剛性構造に連結されます。これらの構造用織物は、NASA のミッションと消費者向け製品の両方で多くの潜在的な用途を持っています。これらは、展開可能なラジエーター、アンテナ、ソーラーパネル、放射線防護ブランケット、微小隕石シールドとして使用できます。また、長期間の微小重力環境に晒される宇宙飛行士の体形を整える外骨格としても機能します。
地球上では、この構造布は、怪我が治るにつれて硬さを調整する適応性絆創膏として、あるいは消防士や兵士の衝撃吸収衣類として医療に使用できる可能性がある。これらには、宇宙空間に到達するとより大きな硬い形状に展開する折りたたみ式および格納式の機能があり、これにより、最適なパフォーマンスを実現するための、より大きくカスタマイズ可能なコンポーネントの形成が可能になります。

積層造形電磁波シールド装置<br /> 粉末固化技術を用いて製造されたマルチマテリアル磁気シールド装置は、シールド性能を大幅に向上させます。 NASAのロボット宇宙船は、恒星や惑星、その他の対象物からの微弱な信号を検出する能力が向上するにつれて、リアクションホイール、電動モーター、冷却システムなどの搭載機械からの干渉に対しても敏感になっている。

たとえば、電気モーターを使用するものはすべて、高感度の磁力計にとって問題となります。従来の設計では、電子的な「ノイズの多い」デバイスは金属製のハウジングで保護されています。これらの設計を複雑にしているのは、電磁シールドの効果を最大限に高めるために複雑な形状を作成する必要があり、このような複雑な設計は製造が非常に難しい場合があることです。 JPL が使用する新しい技術は、積層造形を活用して、従来よりも迅速かつ容易に、より優れた磁気シールドを作成します。
JPL が使用するプロセスは粉末供給レーザー堆積法と呼ばれ、金属粉塵がノズルから不活性ガスを通して放出され、高出力レーザーによって放射される高エネルギービームに当てられて溶解と堆積が完了します。結果として生じた溶融金属の塊は、出現する部品と融合され、コンピューター制御の下で層ごとに積み上げられます。粉末の組成を変えることで、さまざまな金属合金を最も効果的な場所に堆積させることができます。これにより、他の方法では作成できない特殊な部品を、現在のプロセスよりもはるかに短い時間で作成できるようになります。その結果、質量とコストを抑えながらシールド効果を高め、従来の方法で製造された同等のコンポーネントよりも小型で軽量で、性能が向上した宇宙船が実現します。
積層造形アンテナ<br /> 2022 年の JPL のもう一つの技術ハイライトでは、付加製造技術を使用して、天文学やリモートセンシングに応用できる高性能で熱的に安定したアンテナを開発しました。宇宙船や高高度気球用のアンテナの設計と構築は困難です。アンテナは、その性質上、かさばるため、飛行時のストレスに耐え、寸法安定性を維持できるように構築することは、常に課題となってきました。さらに、さまざまな地球観測、惑星科学、天文学の用途で使用されるサブミリ波アンテナも壊れやすい場合があります。これらは非常に短い波長で動作するため、適切に機能し、広い温度範囲で動作するには、ごく小さな欠陥があってはなりません。

従来、これらのアンテナは、アンテナの表面を作成するためにガラスの形状を使用して製造され、その上にニッケルなどの反射材料の薄い層が堆積されます。次に、金属ハニカムまたはストリップで作られたサポート構造を背面に接着します。このプロセスは時間がかかり、厳格で、製造エラーが発生しやすくなります。結果として得られるアンテナは、材料の膨張と収縮の速度が異なるため、極端な温度で動作する場合、アンテナにストレスがかかり、不均一な変形が生じる可能性があるため、潜在的な欠点も抱えています。
JPL のエンジニアたちは、付加製造を伴う新しいプロセスの実験を行っています。このプロセスは低コストで、さまざまな用途に簡単に適応でき、製造も簡単です。新しいアプローチでは、支持構造と反射面の両方に単一の材料を使用するため、製造プロセスが大幅に簡素化され、膨張係数が単一になるため、デバイス全体が温度変化に一貫して反応します。これにより、アンテナにかかるストレスと変形が少なくなり、使用中に優れた信号が提供されます。
アルミニウム粉末を使用してアンテナを印刷することで、軽量性を維持しながらより複雑なアンテナ設計を作成でき、従来の製造技術では製造できない複雑で最適化された形状を実現できます。高度な設計ソフトウェアを使用することで、アンテナのサポートコンポーネントを必要に応じて薄くしたり厚くしたりすることができ、より高性能で効率的な設計をさらに促進できます。