ZORTRAX、宇宙グレードの3Dプリント用新フィラメント「Z-PEEK」を発売

はじめに: 航空宇宙材料は特殊な宇宙環境に耐える必要があるため、放射線、高温、摩耗に対する耐性が必要です。 3D プリントの分野では、メーカーは通常、改良のために PEEK 材料を選択します。ポーランドの Zortrax 社は、Endureal 産業用 3D プリンター向けに超強力な宇宙グレードのフィラメント Z-PEEK を開発しました。このフィラメントは、低軌道およびそれ以上の軌道でテストに成功しています。
Antarctic Bearは、ポーランドの3DプリンターメーカーZortraxが2021年5月31日に新しい宇宙グレードの3Dプリントフィラメント「Z-PEEK」を発売したことを知りました。 Z-PEEK はステンレス鋼に匹敵する強度対重量比を持ち、極端な温度にも耐えられると報告されています。 1,600 rpm で動作可能な Z-PEEK 製のポリマー金属ギアペアが国際宇宙ステーションに打ち上げられ、シールドなしで 46 か月間宇宙環境にさらされました。現在、Zortrax は Endureal 産業用 3D プリンターに適したフィラメントに材料を配合しています。
△Z-PEEKで印刷された宇宙船ユニバーサルジョイントの耐放射線ベアリングリング。写真提供：Zortrax。
Z-PEEK素材<br /> 試験の結果、3DプリントされたZ-PEEKの引張強度は100MPa、破断伸びは28%、曲げ強度は130MPaでした。放射線、極端な温度、長期間の摩耗に耐性があります。ゾルトラックス社によれば、この材料はオランダにある欧州宇宙機関（ESA）のESTECで熱真空宇宙認定試験を受けたという。このテストでは、Z-PEEK を -70°C から 130°C の間で 500 サイクルにわたって試験しましたが、構造や機械的特性に悪影響はありませんでした。急速冷却テストの結果、この材料は -196°C までの低温に耐えられることが示されました。
△Z-PEEKは、負荷がかかった状態でギアを高速回転させるのに十分な強度を備えています。写真提供：Zortrax。
他の研究では、Z-PEEK がポリマー金属スライドシステムで 1600 rpm、1 Nm の負荷で 2200 万サイクル以上テストされていることが実証されています。また、同様の製品に比べて破片の発生が非常に少なく、耐用年数が長くなります。 Z-PEEK は耐薬品性にも優れており、さまざまな潤滑剤と組み合わせて使用することで、機械設備のスムーズな動作を確保できます。さらに、この材料は高圧に耐えることができ、特に透過性が低いです。化学産業や石油産業におけるポンプ、シール、ガスケット材料として使用できます。
△耐圧ポンプ：Z-PEEK、Z-SUPPORT HTは別体サポート構造を採用。
現在、Zortrax は、Z-SUPPORTHT サポート材料を使用して印刷された Z-PEEK を Endureal マシンで使用できるようにしています。同社では、材料を使用する前に自動乾燥プロセスを実施し、印刷が完了したら自動アニーリングプロセスを推奨している。これら両方の手順は Endureal プリンターで実行できます。
3D プリント宇宙の課題<br /> 宇宙は地球とは異なり、空気も対流も熱伝達プロセスもなく、環境の熱分布は極めて不均一です。低軌道上の宇宙船の太陽に面した表面は最高 140 °C の温度にさらされ、太陽から離れた表面は -100 °C まで冷却されます。したがって、材料に対する要求は特に困難です。宇宙材料は、2 つの極端な温度に同時に耐え、極端に暑い条件と寒い条件の両方で適切に機能し、急激な温度変化に適応できる必要があります。さらに、宇宙では放射線の問題があるため、宇宙用途の材料を選択する際には、長期にわたる放射線、原子酸素の衝撃、打ち上げ時にさらされる強い振動成分などの要素を考慮する必要があります。
△3DプリントPEEKガスケット：石油産業向けのZ-PEEKプリントパイプラインシール。
PEEKの宇宙での使用に適しているかどうかをテストするため、日本の宇宙機関JAXAはZ-PEEKのサンプルを国際宇宙ステーションに打ち上げ、徹底的なテストを実施しました。 MPAC および SEED 実験の一環として、試験片は軌道上で 46 か月間、遮蔽物なしで宇宙環境にさらされました。さらに重要なことは、サンプルをホルダーに入れてさまざまなレベルのストレスにさらし、空間条件が PEEK の機械的特性に何らかの影響を与えるかどうかを調べたことです。検査の結果、PEEK には、わずかな変色と脆さの増加以外には明らかな劣化の兆候は見られませんでした。材料の弾性率は高レベルの紫外線にさらされると低下しますが、原子酸素の衝撃、荷電粒子、その他の条件は PEEK には影響しません。これは、Z-PEEK がさまざまな宇宙ミッションを実行できることを示しています。
△Z-PEEK部品を3DプリントするためのZortraxのEndurealシステム。写真提供：Zortrax。
人類は古来より宇宙探査に並々ならぬ熱意を抱いており、3Dプリント技術の登場により宇宙探査のコストが下がり、宇宙に行くための強力なツールとなることが期待されています。 NASAは、ロケットエンジンの製造に大規模な3Dプリント技術を使用する計画を立てており、米国テキサス州のロケットエンジニアリング研究所も、EOSの支援を受けて3Dプリントロケットエンジン部品を製造している。カリフォルニア州のロケットおよびミサイル推進メーカーであるエアロジェット・ロケットダインは、2021年5月にRL10C-X上段ロケットエンジンの高温燃焼試験を完了した。 3D プリント技術は他の方法でも宇宙探査に貢献しています。上海 Fuzhi Raise3D は SpaceX ロケットの回収と再打ち上げを加速し、ICON は米国のアルテミス月面着陸プログラムの学生のために 3D プリントされたロケット発射台を構築しました。宇宙での 3D プリンティングの応用を加速するために、さまざまな国が新しい宇宙産業グレードの 3D プリンティングシステムを積極的に導入および開発しています。例えば、英国の宇宙打ち上げ会社OrbexはAMCMに欧州最大のSLM 3Dプリンターの製造を委託しており、欧州宇宙機関（ESA）はドイツの航空宇宙企業OHBおよびAzimut Space、アイルランド共和国のアスローン工科大学、ポルトガルの3DプリンタープロバイダーBEEVERYCREATIVEと共同で無限サイズFFF高温3Dプリンターの開発を積極的に進めています。宇宙3Dプリンター製造会社Redwireもこの開発の流れに追随し、ニューヨーク証券取引所のSPACに上場した。アンタークティックベアは、3Dプリント技術が将来、航空宇宙分野にさらに深く浸透し、人類の宇宙開発に貢献すると考えています。

参考資料 1. Z-PEEK: 宇宙グレード 3D プリントフィラメント
2. 3Dプリントは宇宙探査のコストを下げ、人類が宇宙に行くための強力なツールとなるだろう
3. NASAは将来のロケットエンジンの製造に大規模な3Dプリント技術を使用する
4. EOSはテキサス大学の学生のスペースチャレンジを支援し、ロケットエンジン部品を3Dプリントする
5. 高温燃焼テスト完了！ 3Dプリントロケットエンジンが宇宙へ飛ぶと期待される、エアロジェット・ロケットダイン
6. 上海富志Raise3DがSpaceXロケットの回収と再打ち上げを加速
7. ICON、米国のアルテミス月面着陸計画の学生のために3Dプリントロケット発射台を建設
8. ロケットを印刷します。英国の宇宙打ち上げ会社オーベックスがAMCMに欧州最大のSLM 3Dプリンターの製造を委託
9. 宇宙での製造：欧州宇宙機関の資金提供による無限サイズの高温FFF 3Dプリンター
10. 宇宙3Dプリンター製造会社Redwireが逆さ合併によりニューヨーク証券取引所に上場予定

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