付加製造による宇宙開発のコスト削減

付加製造による宇宙開発のコスト削減

宇宙船は地上で開発され、試験をへて、全体を組み立ててから打上げ機でそれぞれの運用拠点へと輸送されます。部品はそれぞれ打ち上げ段階にかかる高い負荷に耐久できるように設計する必要があります。多くの場合、複雑な試験手順が複雑であるだけでなく、宇宙船の部品は過剰に大きくなります。軌道上ではロケット打ち上げ時の数分の 1 の力しか受けないからです。打上げ機で輸送するために必要な最大離陸重量や衛星の体積などにより、輸送費がかさみます。同時に、ロケット内の空間は限られているため、宇宙船の設計にはそもそも制限があります。将来の宇宙開発の可能性を探り、資源を節約し、コストを削減するプロセスが模索されています。

考えられる 1 つのアプローチは、ジェネレーティブな製造を使用して、直接軌道上で宇宙船の部品を製造することです。ジェネレーティブ技術により、部品を現場ですばやく効率的に製造できます。ミュンヘン応用科学大学の AIMIS-FYT チームは、これを目的として付加製造プロセスを開発および研究しています。このプロセスでは、構造部品の製造は無重力状態で行われます。宇宙旅行に必要な要素は、打ち上げ要件を満たす必要はありませんが、ミッションの要件に細かく合わせて調整できます。プロセスは無重力での放物飛行で研究中で、これには IDS の uEye CP 産業用カメラが一役買っています。

この付加製造プロセスは「インシチュ製造」(in situ はラテン語で「その場で」の意味) とも呼ばれ、チームが開発した 3D プリンターは押し出し成形機から液体フォトポリマーを注入します。「私たちの 3D プリントプロセスは、UV 硬化接着剤または埋め込み用樹脂を使用して、宇宙空間で 3 次元構造物を直接プリントできます」と、AIMIS-FYT チームのプレス担当 Torben Schaefer 氏はこの技術の特殊機能を説明します。従来の 3D プリンターのように部品を層ごとに作成するのではなく、プリントヘッドが 3 次元移動することで直接作成されます。

無重力状態での「筋交いロッド」の 3D プリントの成功例 [画像:AIMIS-FYT]
無重力状態での「筋交いロッド」の 3D プリントの成功例 [画像:AIMIS-FYT]

UV 光の照射により、無重力空間で樹脂は自由に成形され、短時間で硬化します。無重力状態であるため、通常は地上の重力によって生じる形状の制約なく製造することができます。形状の制約の典型的な例として、地上では不可能であるか、精巧な支持構造がなければ製造できない長い張り出しが挙げられます。無重力では、圧力板のような固定アンカーポイントがなくても、部品を作成することができます。

このような生産プロセスにより、ソーラーパネルやアンテナ向けのプリント構造物など、多様な設計が可能になります。たとえば、パラボラアンテナ向けの鏡の製造や太陽電池取り付け用のトラス構造の製造などが考えられます。小型および超小型衛星、さらには衛星コンステレーション全体のメーカーおよび販売業者にとっては特に興味深い点でしょう。単価とシステムを軌道に乗せる打ち上げコストの両方を削減できるからです。

また、軌道で組み立てられた宇宙船の重量は低減されるので資源が節約され、代わりに搭載できる燃料が増えるのでミッションの期間を延長できます。「衛星の場合、燃料は現状では一般に制限要因で、持続期間はおよそ 15 年が相場です」と Torben Schaefer 氏は説明します。

アプリケーション

製造プロセスでも最も重要なプロセスは、プリントプロセスそのものです。これは基本的に 3 つの主なフェーズで成り立っています。

  1. 押し出し成形機を使って樹脂を吐出する
  2. 無重力状態で粘性のある樹脂がノズルから放出される
  3. UV LED で樹脂が硬化する


直線ロッドのプリント、ロッドの接続、フリーフォームロッドの作成をテストしました。ある場合は従来のプリント板をプリントの使用し、別の場合は浮遊するロッドのプリント動作を調査しました。

プリントプロセスの主なパラメーターは、樹脂の吐出速度、UV ライトの強度、UV 照射時間と経路 (プリンターの移動経路) です。「私たちのプリントプロセスでは、一定の圧力で一定して媒質を正確に注入することが重要です。また、パラメーターを全プロセスで一定に保たなければなりません」と Torben Schaefer 氏は言います。

無重力状態で完成したトラス構造 - IDS カメラで撮影した詳細 [画像:AIMIS-FYT]
無重力状態で完成したトラス構造 - IDS カメラで撮影した詳細 [画像:AIMIS-FYT]

IDS が提供する USB 3 カメラがプロセスをしっかりと監視します。プリンターのノズルを接写で監視し、常に連動して移動します。このようにしてカメラはノズルの動きを見逃さず、常に焦点をぴったり合わせます。画像は、ロッドの構成がノズルの約 4.5 cm 下で撮影されるように切り取られます。「IDS のカメラは樹脂の注入や硬化について、非常に重要な結果をもたらします。硬化に必要な UV LED によって強力な露出過多が生じるため、困難な照明条件が生まれます。IDS ポートフォリオの U3-3260CP なら問題ありません。コスト効果に優れた 2.30 メガピクセルの Sony 製センサー IMX249 (1920 x 1200 px) を搭載しており、光感度とダイナミックレンジの面で特に高い基準を達成します。5.86 µm ピクセルのグローバルシャッター CMOS センサーはこのような用途に適しており、この場合のような露出過多によって輝度が高い困難な照明条件でも、完璧な結果を得られると思われます。

無重力状態でのノズルからの放出動作をさらに詳しく分析するため、プロセスの実施速度を落とします。ロッドの輪郭が正確に撮影されます。「このため、高品質の評価にはカメラの高いフレームレートと解像度が欠かせません」と AIMIS チームの Torben Schaefer 氏は語ります。フレームレート 47.0 fps の IDS カメラは卓越した画質を実現し、極めて低ノイズなので、宇宙空間でのタスクに最適です。しかも、カメラの統合がシンプルであることも調査チームによって確認されました。

ソフトウェア

IDS SDK を利用して、カメラを C++ ベースの監視システムにシームレスに統合することができました。

— Torben Schäfer, AIMIS-FYT チームのプレス担当 —

同氏によると、センサーからのすべてのデータが融合し、プリンターと個々のプリントパラメーターの現状に対する総合的な概要が得られるとのことです。「IDS カメラの録画やその他のすべての計測を、クリックするだけで開始したり停止したりできます。放物飛行では無重力状態はたった 20 秒間しかなく、放物飛行を続けて行うには約 1 分半の間隔を空けるので、測定と録画の開始と停止により、的を絞って最も重要な情報だけを保存します」 さらに、IDS ソフトウェアによりプリントプロセスのライブ画像がモニターに表示されます。「このライブフィードによって、プリントヘッドのセットアップが容易になり、分析をすばやく実行できるようになりました」

ESA プログラム FYT の放物飛行中、無重力状態は 20 秒間継続する [画像: AIMIS-FYT]
ESA プログラム FYT の放物飛行中、無重力状態は 20 秒間継続する [画像: AIMIS-FYT]

今後の予定

実験から得た知見は、3D プリントの 4 つの基本的操作 (直線バー、開始点/停止点付きの直線バー、フリーフォームバー、バーの接続) の最適化と、無重力状態での付加製造の主要機能の実証に使用されます。宇宙空間での技術のテストが目的で、宇宙開発技術での部品のコストを大幅に削減できるチャンスがあります。「AIMIS-FYT プロジェクトでは、宇宙旅行の将来を積極的に形作る機会を得られます」と、AIMIS-FYT チームのプロジェクトマネージャー、Michael Kringer 氏は語ります。

小型ながら強力な IDS カメラは、地上でも宇宙空間でも、将来のミッションを達成できる製品としてお勧めできます。

USB3 uEye+ CP - 小型ながら強力

AIMIS-FYT