ESA と Zortrax が宇宙向け 4D プリントを実行

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障壁を打ち破り、未来を再定義するポーランドの 3D プリンター メーカー Zortrax は、宇宙探査を進めるための欧州宇宙機関 (ESA) との 1 年間にわたるプロジェクトを経て、4D プリンティング技術の開発の先駆者となりました。

Zortrax の M300 デュアル 3D プリンタと、独自の 3D 印刷ソフトウェアである Z-SUITE の特注バージョンを活用することで、Zortrax の研究開発チームは複雑な 3D 構造を作成しました。 これらの最先端のデザインは、形状記憶ポリマーと導電性材料を使用して構築され、それぞれ応答性のアクチュエーターとヒーターとして機能します。

これらの素材のコラボレーションにより、曲げ、ねじり、展開という 3 種類の動きを示すことができる技術デモンストレーターが誕生しました。 印象的なのは、各動作はボタンを押すことで起動できることです。 この野心的なプロジェクトが成功裡に完了したことで、Zortrax は現在、多額の資金調達の可能性を秘めた先進的なプロジェクトの入口に立っており、この技術の開発を推進し、電気的に活性化する 4D プリンティングを宇宙ミッションの領域に持ち込む準備が整っています。

高度な材料を使用したデュアル押出 3D プリンティング技術を使用することで、このプロセスは信頼性の高い軽量メカニズムを構築できます。 さらに、これらの機構は個別のアクチュエーター、エンジン、制御回路から独立して機能するため、航空、エネルギー生産、防衛などの他のハイテク分野にとって大きな前進となります。

4D プリンティングの世界を深く掘り下げると、興味深い 4 番目の次元、つまり時間が明らかになります。 時間を追加の変数として使用すると、加熱すると折り紙の構造が広がるのと同じように、印刷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、その形状やその他の特性を適応させることができます。

この概念は、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の自己組織化研究室の共同所長である Skylar Tibbits がさまざまな技術会議で議論し、推進し始めた 2013 年頃から注目を集め始めました。 その結果、ティビッツは「4D プリンティング」という用語を作ったとしばしば信じられています。

Zortrax社の研究開発責任者であるMichał Siemaszko氏は、「理論的には、この技術によりエンジニアやミッション設計者がアンテナ、ブーム、その他のさまざまな展開可能な構造の重量を軽減できる可能性があるため、4Dプリンティングは宇宙産業で大きな関心を集めました」と述べています。 」

4D プリンティング技術を使用して作られた、電気的に作動する展開デモンストレーター。 画像提供：Zortrax。

4D プリンティングの可能性は否定できませんが、いくつかのハードルがないわけではありません。 たとえば、テクノロジーには、特定の刺激に応答して時間の経過とともに形状や特性を確実に変化させることができる、適切な「スマート」な材料が必要です。 さらに、特に宇宙の過酷な条件において、これらの変化を引き起こす環境を制御することは、独特の課題をもたらします。 それにもかかわらず、ESA の資金提供のおかげで、Zortrax はこれらの問題を解決するコンセプトに取り組みました。

「4D プリント機構の活性化に最も一般的に使用される刺激は温度です。宇宙への応用を検討すると、温度変化の振幅は非常に大きくなる可能性があり、形状変化活性化のトリガーとして使用できたとしても、それを実現するのは困難な場合があります。 「段階的な方法で制御します。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」と ESA の材料物理化学エンジニアの Ugo Lafont 氏は言います。 「このプロジェクトの背後にあるアイデアは、熱誘起の形状変化機能を利用しながら、電流によって生成される熱によるより制御された活性化を使用するというものでした。このようなコンセプトは、複雑なシステムの部品数を維持しながら複雑なシステムの部品数を削減できる可能性があるため、評価中です。」制御されたオンデマンドの動きと作動を提供する能力。」

4D プリント機構を作成する旅は、適切な材料、有能なソフトウェア、熟練した 3D プリンタという 3 つの重要なコンポーネントを中心に展開すると Zortrax チームは説明しました。 Zortrax は、他のどの製品よりも 50% 高い 75℃ という優れたガラス転移温度を備えたカスタム形状記憶フィラメントを開発することで、この課題に立ち向かいました。 徹底したテストの結果、この材料は先駆的な 4D プリント システムに最適であることが判明しました。

4D プリンティングを追求する中で、Zortrax チームは導電性フィラメントの必要性を認識しました。 これらのフィラメントは電気的に作動するヒーターとなり、形状記憶効果を引き起こします。 いくつかの容易に入手可能なフィラメントが必要な仕様を満たしていたため、選択プロセスは簡単であることがわかりました。 熱的特性と電気的特性の両方を評価する包括的なテスト段階を経て、Fiberforce Nylforce Conductive が 4D プリント機構の形状記憶ポリマーを加熱するための最適なフィラメントとして浮上しました。

材料の選択に続いて、チームは印刷プロセスに焦点を当てました。 目標は、2 つの異なる材料から部品を作成できる方法であるバイマテリアル 3D プリンティングを使用することでした。 これを達成するには、当初 ESA 用に開発された Z-SUITE ソフトウェアの実験版と、M300 デュアル 3D プリンタのデュアル押出機能を組み合わせる必要がありました。 さらに、このプリンタは 2 つの動作可能なプリント ヘッドを独自に備えており、バイマテリアル プロセスを容易にします。

ESA との契約上の義務の一環として、Zortrax はさらに 3 つの特徴的な 4D プリンティング デモンストレーターを設計しました。 これらはそれぞれ、曲げ、ねじり、展開など、電気的に活性化されるさまざまなタイプの動きを示しており、4D プリンティングの優れた多用途性を強調しています。

4D プリンティング技術で作られた回転運動のデモンストレーターを起動します。 画像提供：Zortrax。

ESA の元請け業者である Zortrax は、画期的な 4D プリンティング プロジェクト以外にも、ESA と協力して他の 3D プリンティング プロジェクトにも取り組んでいます。 たとえば、Zortrax は 2018 年に M200 3D プリンタを使用して衛星アンテナを 3D プリントし、衛星通信システムのパフォーマンスをテストしました。 1 年後、両社は宇宙探査用の 3D プリンティング技術の開発で提携し、宇宙で宇宙船や人工衛星の部品を製造しました。

プロジェクトのもう 1 つは、高性能複合部品製造用の Endureal 産業用 3D プリンタの進歩です。 最近では、Zortrax は、宇宙での使用に適した数少ないポリマーに加え、Zortrax Endureal と互換性のある高温 Z-PEEK フィラメントを認定しました。 これは、他のアプリケーション固有の要件も満たしていれば、Zortrax Endureal 3D プリンターで Z-PEEK で 3D プリントされた部品を宇宙ミッションに打ち上げることができることを意味します。 これらの革新的な取り組みにより、Zortrax は航空宇宙分野での拠点を強化し続け、進歩を推進し、新しい業界標準を設定します。

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