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フランス国立開発研究所(IRD)が3D印刷を使用してシンプルで高性能な水質汚染センサーを開発した方法

2020.09.29 更新

Artec Leo

フランス国立開発研究所(Institut de RecherchepourleDéveloppement-IRD)は、高等教育研究革新省とヨーロッパおよび外務省の二重の監督下にある公的機関です。
科学とイノベーションを開発の最初の手段の1つにする地域や国の利益のために、研究、専門知識、トレーニング、知識の共有を組み合わせています。

国際的に認められた学際的な組織であるIRDは、約50か国に存在しています。この研究所は、自然環境への汚染の影響に関連する問題について、主に地中海および熱帯収束帯の国々と協力して活動しています。

IRDの使命は、NGOや研究者と協力して、環境モニタリングのための低コストの代替ソリューションを開発することです。これらのソリューションは、市販されているシンプルで迅速に実装できるツールを使用してセンサーの新しいプロトタイプを製造できるようにするために、「低コスト」の手法に基づいている必要があります。

 

水中の汚染物質の測定

水中の汚染物質、特に水銀の測定は非常に複雑です。
濃度が非常に低いため、サンプリングと分析には専門の研究所を使用する必要があります。

このプロジェクトのIRDの目的は、サンプリングを容易にすることができるツールを開発することでした。このツールは、実装が簡単で、専門家以外でも使用できます。このツールは、「専門家」の観察から参与観察に移行することを可能にします。つまり、実際の市民観察ネットワークに地域住民を巻き込むことを意味します。

このプロジェクトを担当するチームは、水銀循環のIRD専門家の研究者であるDavid Pointと、組み込みシステムのコンサルティングエンジニアであるAnthony Gautierで構成され、防水シェルにカプセル化された電子プローブのアイデアを思いつきました。

「電子センサーシステムは、水中の水銀を分離して小さなプレートに濃縮し、分析ラボに送ります。これらの電子要素は、すべてアンソニーによって設計された機械的インフラストラクチャによって水から保護されています」とポイント氏は述べています。

この機械的インフラストラクチャを実現するために、ゴーティエ氏は最初にFDMプリンターを使用しました。しかし、これらの元のテストでは満足のいく結果が得られませんでした。「信頼性に多くの問題があり、部品の4分の3が機能しませんでした。プローブは、深さ200メートルまでの水の圧力に耐えられる必要があります。しかし、FDMテクノロジーでは、マイクロ液胞に遭遇しました。圧力の影響で、これらのマイクロ液胞は水で満たされ、水密性は保証されませんでした」とゴーティエ氏は回想します。

 

要素に耐えることができる適切な材料を探す

この観察に直面して、IRDチームは、この制約に対処できる別の3Dプリンティング技術を探しました。
市場で入手可能なさまざまなソリューションを研究した後、チームはFormlabsからステレオリソグラフィー(SLA)3Dプリンティング装置を選択しました。

「当時、私たちは両方ともボリビアにいて、信頼性が高く、正確で、再現性のある出力を確実に得ることができなければ、ハードウェアに投資する余裕はありませんでした」とポイント氏は説明しました。「したがって、Formlabsプリンターの効率、信頼性、およびコスト比が、私たちの選択の決定要因でした。」
「開始する前に、FormlabsのWebサイトで提案されているようにサンプルを作成しました。そのため、材料の品質を確認できました。等方性で十分に密封されているように見えました」とGautier氏は述べています。

その後、研究者は、Formlabsによって提案されたさまざまなタイプの樹脂(標準樹脂タフ樹脂フレキシブル樹脂など)について実験室で多数のテストを実施し、攻撃的な材料(酸など)、合成樹脂にどのように反応するかを確認しました。

「これらのテストの間、材料は非常にうまく機能しました」とポイント氏は言いました。
「最終的に、いくつかのタイプの樹脂を使用することにしました。衝撃に耐えなければならない本体は耐久性のある樹脂で印刷され、サブハウジングはより高い解像度で標準の樹脂で印刷されます」とゴーティエ氏は付け加えました。

プロトタイピングからフィールドテストまで

Formlabs 3Dプリンターのおかげで、Point氏とGautier氏は、化学センサー、電子部品、Bluetoothモジュール、および電源に必要なバッテリーの両方を組み込んだ防水プローブなど、すべての仕様を満たすプロトタイプを開発することができました。

このプロトタイプにより、IRDは、水資源を保護する革新的なソリューションをサポートするために、フランスを拠点とする公益事業会社SUEZが主催するプロジェクト«Agir pour la Ressource en Eau»(「水資源のための行動」)の呼びかけに勝つことができました。

チームは現在、実際にテストするためにユーザーが利用できるようになるプローブの約15コピーの作成に取り組んでいます。これにより、収集されるデータの量が増え、デバイスの処理を確認できるようになります。並行して、2020年後半までに、ベータテスター向けに、より小さくて扱いやすい新しい、よりコンパクトなバージョンを開発することを計画しています。

最終的に、研究者たちは、バイオ充填を制限する樹脂の能力をテストします。
「水に浸されたセンサーは、常に測定を歪める微生物によってコロニーを形成することになります」とポイント氏は説明します。「したがって、この現象に対する樹脂の耐性、特にこのタイプのプローブに現在使用されているPVCとの比較をテストします。」

ゴーティエ氏はまた、Formlabsによって提案された新しいソリューションの調査を続けています。
特にForm3Lを使用すると、チームは一度により多くのパーツを造形でき、後処理プロセスを簡素化できます。また、シリコーンと同様の特性を持つ新しいエラスティックレジンは、振動の低減に貢献できる可能性があります。



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