放物線飛行：アイオワ州立大学が無重力状態で電動インクジェット3Dプリンターをテスト

この投稿は Coco Bear によって 2022-3-15 09:52 に最後に編集されました。

はじめに：2022年3月、Antarctic Bearは、アイオワ州立大学の研究者が無重力状態で3Dプリント電子機器のテストに成功したことを知りました。
重力に代わるものとして、研究チームは電気を使って導電性インクをガラス基板上に層ごとに印刷し、複雑な回路を作成した。エンジニアたちはNASAと協力して、この技術を使って宇宙でセンサーを製造し、宇宙飛行士が携行する予備部品の数を減らし、宇宙飛行時間を延ばすことに取り組んでいる。
「NASAの将来のミッション、宇宙探査ミッションでは、人を行き来させるだけでなく、長期間使用できるインフラも必要です。それが私たちが取り組んでいることです」と、チームの主任研究員であるハンタン・チン氏は説明する。「私たちは、国際宇宙ステーション（ISS）や火星に長期間滞在できるプリンターを製造しています。」
△ アイオワ州立大学のNINJAS研究者が放物線テスト飛行中。写真提供：Steve Boxall/Zero-G。
移動中に電子製品を修理する宇宙船内でセンサーやその他の電子機器が損傷することは珍しくなく、深刻な結果を招く可能性があります。たとえば、国際宇宙ステーションの湿度センサーは乗組員の安全にとって非常に重要であり、機器が故障した場合は緊急に交換または修理する必要があります。交換部品や予備部品を宇宙船に搭載して輸送すれば問題は解決するかもしれないが、そうすると宇宙船の重量が増加し、実装コストも増加することになる。
上記の問題に対処するために、航空宇宙向け無重力インクジェット印刷、または「NINJAS」チームとして知られる研究者グループが別の解決策を考案しました。彼らは、電気動電インクジェット印刷の原理を利用して、特許出願中の新しい銀とチタン酸バリウムのインクで部品を作成しました。
研究チームによれば、この材料は超安定かつ高解像度のレベルで印刷できるため電子機器の製造に最適であり、さらに開発を進めれば、宇宙や地上で新しいタイプのフレキシブルセンサー、ソフトロボット、回路基板、半導体、その他のマイクロデバイスを作成できるようになるという。
このアプローチをテストするための第一歩として、ハンタン・チン氏と彼のチームは2021年後半に3Dプリンターのプロトタイプを構築し、アイオワ州立大学の同僚であるシャン・ジャン氏が研究室で導電性インクを準備していた。「私たちの実験の目的は、微小重力下で導電性回路パターンを印刷することでした」とハンタン・チン氏は語ります。「私たちは、密度、表面張力、誘電率など、異なる材料特性を持つさまざまなインクをテストし、電圧、パルス周波数、ノズルの向きなど、最適な動作条件を決定しました。」
△アイオワ州立大学でプロジェクトを率いたHantang Qin氏とShan Jiang氏。写真提供：アイオワ州立大学。
NINJAS 無重力実験プロトタイプが完成すると、NINJAS のスタッフはそれをフロリダ州フォートローダーデールに持ち込み、改造された航空機に「搭乗」して宇宙空間の状況をシミュレートします。この飛行機は45度で上下に飛行することができ、チームと被験者はこの曲線の一番上で微小重力の無重力状態を体験することができます。
エンジニアたちは、宇宙に行かずに 3D プリンターの性能を評価するには放物線飛行テストしかないと判断しましたが、無重力状態でシステムを操作すること自体が簡単なことではありませんでした。エンジニアたちは、それを「30,000 フィートの高さにあるビルから 20 ～ 30 秒間飛び降りる」ようなものだと表現しています。プロジェクトチームの学生の 1 人であるマシューマランダーは、「無重力環境に慣れるのは難しくありませんが、過重力、通常の重力、無重力の間を急速に移行する感覚に慣れるのは難しいです。これらの状態を非常に速く切り替えると、少し方向感覚が失われることがあります」と説明しています。
江氏は、3日間のテストのうち最初の日は関係者全員にとって学習の機会となったが、2日目と3日目には、チームは3Dプリント技術を使用して美しいパターンを印刷することができたと結論付けた。この最初の成功を受けて、研究者たちは現在、2022年5月の2回目のテストに向けて、印刷システムと印刷材料の両方をアップグレードし、努力を倍増させています。 42万ドルの資金援助を受けたチームは、最終的にはNASAが宇宙で製造できる材料や機器を大幅に拡大できるプラットフォームを開発するのを支援したいと考えており、2024年までにISSのプリンター用の新しいノズルチップを設計するという長期目標を設定している。
△国際宇宙ステーション内で作業するスタッフ。写真提供：NatGeo/ISS。
NASA は、低地球軌道 (LEO) での 3D プリント実験に多大な時間、エネルギー、資金を継続的に投入しており、最も有望な技術は国際宇宙ステーションでテストされています。昨年、欧州宇宙機関のコンソーシアムは、国際宇宙ステーションで使用するために「無限の長さ」の部品を作成できると言われる初期のFFF 3Dプリンターを提案しました。
●メイド・イン・スペース（現レッドワイヤー）などの企業も、国際宇宙ステーションの印刷システムの構築に協力している。同社は2019年に、宇宙ステーション用の3Dプリント部品をリサイクルする「ブラスケム・リサイクラー」と呼ばれるプラスチックリサイクル施設を開発した。この機械は、国際宇宙ステーションからのプラスチック廃棄物を原材料に変換できるため、補給ミッションが削減され、ほぼ閉ループの生産モデルが確立されます。
●国際宇宙ステーションに加え、ミュンヘン専門大学の研究者らは、宇宙の真空中で太陽電池パネルやアンテナを製造できる軌道上衛星3Dプリンターも開発しました。アイオワ州のNINJASプログラムと同様に、このプロジェクトは宇宙船の重量を軽減し、燃料などのより重要な貨物を運ぶことを目的として開始されました。
●中国科学院宇宙応用工学技術センターの研究者らは、欧州の無重力航空機を使用し、デューベンドルフで世界初となる微小重力下でのセラミック材料の光造形成形技術実験に成功した。これは、将来、宇宙ステーションで直接迅速に部品を製造したり、宇宙で大型望遠鏡やその他の科学機器を直接構築したりできるようにするためである。 (世界初の微小重力特殊セラミック3Dプリントの開発に成功 - 南吉雄3Dプリントネットワークプラットフォーム (nanjixiong.com))

編集元: https://3dprintingindustry.com/news/new-method-of-3d-printing-electronics-tested-in-zero-gravity-by-iowa-state-ninjas-researchers-205994/

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