研究者らはニッケルチタン記憶合金でできた温度制御変形可能アンテナを3Dプリントした

2024年12月7日、アンタークティックベアは、ジョンズホプキンス大学応用物理学研究所（APL）の研究者が、温度に応じて形状を変えることができるアンテナを3Dプリントしたことを知りました。

この技術は、ACS Applied Engineering Materials の最近のオンライン版に掲載された「双方向付加製造形状記憶合金広帯域再構成可能複合アンテナ」と題する論文で説明されており、軍事、科学、商業の幅広い用途に変革をもたらす可能性を秘めています。

関連論文リンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.4c00488
アンテナのフロントエンドの形状によって、その動作パラメータの多くが決まります。製造されると、これらの特性は固定されます。形状シフトアンテナにより、より広範囲の無線周波数 (RF) 帯域での通信が可能になり、運用の柔軟性の新たな領域が開かれます。多くの可能性の中で、単一のモーフィングアンテナが複数の固定形状アンテナの機能を果たし、スペクトルの可用性に動的に適応し、ビーム幅を変更して短距離通信と長距離通信を切り替えることができます。
新しいアンテナは SF 映画からインスピレーションを得て、APL での学際的な創造的コラボレーションの成果です。電気技師のジェニファー・ホレンベック氏は、エイリアンのテクノロジーが有機的で形を変えることができる映画シリーズ「エクスパンス」からこのアイデアを得たと語った。「私はキャリアを通じてアンテナに取り組んでおり、その固定形状の限界を克服することに取り組んできました」と彼女は語った。「APL には何か違うものを作る専門知識があることはわかっていました。」
2019 年、ホレンベック氏は、現在研究所の研究および探索開発部門で付加製造の主任科学者を務めるスティーブン・ストーク氏に連絡を取りました。ストーク氏は、形状記憶合金を付加的に製造するための有望なアプローチを生み出す独立した研究開発プロジェクトを主導していました。これらのユニークな材料は、低温では変形しますが、加熱すると「記憶」形状に戻り、歯科矯正用ワイヤー、血管ステント、骨インプラントなどの医療用途から宇宙船の操縦翼面のアクチュエーターまで、さまざまな用途に使用されています。
機械エンジニアで材料科学者のアンディ・レノンは、ニッケルとチタンの形状記憶合金であるニチノールを使用して、心臓の画像診断を支援するために人の食道まで延長できるコイルを作成した。レノン氏らはニッケルチタン合金の用途を研究していたところ、それを使って複雑な形状を3Dプリントするというアイデアを思いついた。しかし、これには問題があります。ニチノールやその他の形状記憶合金は、通常、形状記憶効果を得るために大規模な機械加工（冷間加工と呼ばれる）を必要とするため、通常はワイヤまたはシートの形でしか入手できません。「冷間加工を多用すると、本来の目的が達成されない」とレノン氏は言う。「この複雑な形状を金型に通して伸ばすと、またワイヤーに戻ってしまう」

APL チームは当初、ニチノール部品のスケーラブルな積層造形に関連する基本的な課題に対処するための研究を実施し、その後、これらの技術を宇宙用途で使用するための変形可能な構造の作成に応用しました。アンテナの用途に関する広範な実験の後、チームはニッケルとチタンの比率を変えましたが、3Dプリントされたニッケルチタン合金を使用して変形可能なホーンアンテナを作成する最初の試みは失敗しました。アンテナは技術的には伸ばして周波数を変えることができますが、非常に硬く、伸ばすのが困難です。「非常に複雑な設計になってしまい、思ったほどうまく機能しなかった」とホレンベック氏は語った。
ホレンベック氏と彼のチームは、挫けることなく、重大な課題に対する革新的なソリューションの開発を支援するために設計された APL の内部資金提供機会の 1 つである Propulsion Grant に申請書を提出しました。

今回、ホレンベックは新しいアンテナ設計を採用しました。レノン氏のチームは、加熱と冷却によって2つの記憶形状を切り替えることができる双方向形状記憶ニッケルチタン合金を3Dプリントすることに成功した。 APL の電力投射部門の電気技師カイル・シバート氏による主要な設計と試作のサポートを受けて、ホレンベック氏のチームは、冷たいときには平らな螺旋状のディスクの形になり、熱くなると先細りの螺旋に変化するアンテナを開発した。

ヘリカルアンテナを加熱するのは困難です。チームは、無線周波数特性に影響を与えず、構造を焼損させることなく、3D プリントされたアンテナの金属を加熱して変形させる方法を決定する必要がありました。この問題を解決するために、RF およびマイクロ波設計エンジニアの Michael Sherburne 氏が率いるチームは、新しいタイプの電源コードを発明する必要がありました。「ピーク加熱を実現するには、送電線が大量の電流を処理する必要があります」とシャーバーン氏は言う。「これを実現するには、基本に戻る必要がありました。」
パズルの最後のピースは、アンテナを一貫性と再現性のある方法で 3D プリントする方法を見つけることでした。レノンの改良ニッケルチタン合金にはニッケルの濃度が高く、大規模な印刷が困難です。
「合金処理パラメータと設計の最適化については豊富な経験がありますが、これはさらに一歩進んだものです」と、積層造形エンジニアのサミュエル・ゴンザレス氏は語ります。「現在、この材料を印刷する人はほとんどいませんので、処理に秘密のレシピはありません。」
「印刷中に熱によってアンテナが変形し、剥がれ落ちたため、印刷の過程で何度も破片ができた」と研究チームのメンバー、メアリー・ダブロン氏は語った。
通常、チームは4日以内に合金を加工できるが、ダフロン氏とゴンザレス氏によると、この特定の材料の製造には2～4週間かかったという。
加工パラメータを最適化した今、同社は当初の成功をさらに発展させる方法を模索しています。「私たちは、さまざまな用途のさまざまなマシンで動作するようにパラメータを最適化したいと考えていました。また、異なる温度で作動する可能性のあるさまざまな材料のバリエーションを最適化する必要があることもわかっていました」とダフロン氏は語った。
APL のさまざまなチームの努力により、現場の特殊オペレーターのサポート、モバイルネットワーク通信、さらには遠方の天体への宇宙ミッションまで、幅広い用途を持つ革新的なテクノロジーが誕生しました。
APL はチームを代表して、形状適応型アンテナ技術の完全な特許取得を目指しています。同研究所では、スパイラルを加熱するための新型電力ケーブル、アンテナを制御する方法、形状記憶合金を使用したフェーズドアレイアンテナの製造方法とプロセスについても特許を申請することを暫定的に決定した。
「APL チームが実証したモーフィングアンテナ機能は、小型軽量構成で RF 適応性を必要とする多くのアプリケーションやミッションにとって、画期的な成果をもたらすでしょう」と、APL チーフエンジニアのコンラッドグラントは述べています。「これは、ラボの積極的かつ有能な多分野にわたるチームを通じて実現できるイノベーションの素晴らしい例です。」

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