中国の科学者たちは、3Dプリンティング技術の「業界の問題」を解決するために新たなブレークスルーを遂げました!

今日の科学技術の急速な発展に伴い、3Dプリンティング技術は強い東風のようにあらゆる分野に広がっています。複雑で精密な機械部品から実物そっくりの製品モデルまで、素晴らしい建築プロトタイプからパーソナライズされた日用品まで、3D印刷技術は、その無限の創造性と十分な柔軟性により、想像力を現実に導き、人々の生活をより便利にすると同時に、私たちに驚きをもたらしました。

3Dプリンティング技術の動作原理

3Dプリンティング技術は、アディティブマニュファクチャリング技術とも呼ばれ、材料を層ごとに積み重ねて3次元のエンティティを構築する革新的な製造方法です。その原理はレンガ造りの家を建てる原理と似ており、簡単に言えば「層状製造、層ごとの積み重ね」と要約できます。

3Dプリントのプロセスは複雑ではありません。まず、デジタルモデルを作成またはコンピューター支援設計ソフトウェアを通じて取得し、次にモデルを一連の非常に薄い断面層(つまりスライス)に切断し、各スライスの厚さは通常数十ミクロンから数百ミクロンの間です。次に、これらのスライス情報に基づいて、3Dプリンターは特定のテクノロジーと材料を使用して最終的なオブジェクトをレイヤーごとに構築します。

3Dプリンティングプロセスには、熱溶解積層法(FDM)、フォトステレオリソグラフィー3Dプリンティング(SLA、DLP、LCD)、選択的レーザー焼結(SLS)、選択的レーザー溶融(SLM)、ステレオインクジェットプリンティング(3DP)、およびレイヤーバイレイヤー製造(LOM)が含まれます。

熱溶解積層法(FDM)は、フィラメント状の熱可塑性材料をノズルで加熱して溶融し、プラットフォーム上に層ごとに堆積させ、最終的に3次元オブジェクトに固化するプロセスです。この技術は、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体(ABS)、ポリ乳酸(PLA)などの熱可塑性材料を原料として使用することがよくあります。必要な機器が少なく、操作が簡単で、個人や小さなスタジオに適しています。昨今、玩具市場で人気を博している「大根包丁」や「伸縮式刀」は、こうして作られています。

光造形3Dプリンティング(SLA、DLP、LCD)は、特定のバンドと形状の光を使用して感光性樹脂を照射し、感光性樹脂を層ごとに硬化させて目的の形状のオブジェクトを生成します。成形精度が高く、表面が平滑なため、微細な模型や小さな部品を作るのに適した技術です。

選択的レーザー焼結(SLS)は、レーザービームを使用して粉末材料をスキャンして溶融し、結合し、層ごとに蓄積して3次元オブジェクトにします。この技術は、粉末(ナイロン、金属粉末、セラミック粉末など)を原料とし、成形精度が高く、複雑な構造の機能部品の製造に適しています。

選択的レーザー溶融(SLM)は、選択的レーザー焼結(SLS)と同様にレーザーエネルギーが高く、金属粉末を完全に溶融して金属部品のラピッドプロトタイピングを実現できます。この技術は、金属粉末(チタン合金、ステンレス鋼など)を原料として使用することが多く、高強度で高精度の金属部品を印刷でき、航空宇宙、医療、その他の分野で広く使用されています。

ステレオインクジェット印刷(3DP)は、粉末状の材料(金属または非金属)と接着剤を原料とし、ボンディング機構により各部品を層ごとに印刷します。この印刷技術の成形サンプルは実際の製品と同じ色をしており、現在はより成熟したカラー3D印刷技術です。

ラミネートオブジェクト製造(LOM)は、薄いシート材料(紙、プラスチックフィルムなど)とホットメルト接着剤を原料として使用し、レーザー切断と熱接着により必要なオブジェクトを層ごとに蓄積します。この技術は、成形速度が速く、材料費が安いため、大きな構造物やシェルの製造に適しています。

3D印刷技術製品は高度な修復性を備えていますが、印刷原材料によって制限されます。3Dプリントされた製品は非常に脆く、外力によって簡単に壊れます。このような製品を高い機械的性能要件を持つシナリオで使用すると、やや「無能」に見えます。では、3Dプリント製品の「ガラスの心臓部」をどのように改善し、壊れにくい見栄えの良い「肌」と「柔軟性」を持つようにするにはどうすればよいでしょうか?

2024年7月3日、中国の科学者たちは、3Dプリントされたエラストマーに関する研究結果をNature誌に発表しました。この技術を用いて調製された輪ゴムは、自身の長さの9倍まで伸ばすことができ、最大引張強度は1平方ミリメートル相当の94.6MPaに達することができ、10キログラム近い重力に耐えることができ、超高強度と靭性を示しています。

成形速度と完成品の靭性を「調和」

3Dプリント(SLA、DLP、LCD)の光硬化の過程で、生産効率を向上させるには成形速度の高速化が必要であり、これにより材料の架橋密度が増加し、硬化プロセス中の材料の靭性が低下します。従来の工法では、材料の靭性が上がる一方で、材料の粘度も上昇するため、流動性の低下や成形速度の低下につながっていました。3Dプリントの成形速度と完成品の強靭さとの間の矛盾は、常に業界全体を悩ませてきました。

中国の科学者たちは、この二つの矛盾を「和解」させた。研究者たちは、光硬化型3Dプリンティングの原料感光性樹脂を分析し、プリントプロセスを分解することにより、段階的なプリントと後処理の戦略を提案しました。研究者らは、動的に阻害された尿素結合と主鎖上の2つのカルボキシル基を含むジメタクリレートのDLP(デジタルライトプロセッシング)前駆体を設計しました。印刷および成形段階では、これらの主要コンポーネントは「休眠」状態にあり、成形後の処理段階で強化の役割を果たします。

a. 3Dプリントされたオブジェクトと、後処理中のそれらの寸法変更。b.3Dプリントされたバルーンの耐パンク性能。c. 機械的な穿刺力のモデリング。D-E.3Dプリントされた空気圧グリッパーウェイトリフティングテスト。画像ソース:参照[1]

90°Cでの後処理段階では、3Dプリント製品中のヒンダード尿素結合が解離してイソシアネート基が生成され、イソシアネート基が側鎖カルボキシル基とアミド結合を形成する一方で、カルボン酸に吸着された水と反応して尿素結合を形成します。分子内の化学結合の変化により、材料内の単一ネットワーク構造が「手を取り合って」同様の相互貫通ネットワーク構造に接続され、より多くの水素結合がもたらされ、材料の内部構造が強化されます。3Dプリントされた製品は、車両の衝突のエネルギー吸収効果と同様に、外力によって変形したときのバッファスペースが大きくなるため、材料の内部構造が変化するため、製品の耐衝撃性と耐破壊性が向上し、靭性が向上します。

実験結果から、DLP前駆体を用いた3Dプリントで作製した厚さわずか0.8mmのフィルムは、非常に強力な耐パンク性能を発揮し、74.4ニュートンの力にも割れることなく耐えることができることが示されました。3Dプリントされた空気圧グリッパーは、高圧膨張条件下でも、表面に鋭いトゲがある70グラムの銅ボールを折ることなくつかむことができ、3Dプリント製品の超高靭性と構造強度を示しています。

3Dプリントエラストマーの幅広い用途

スポーツ用品の分野では、3Dプリントされたエラストマーがアスリートにパーソナライズされた高性能機器を提供します。たとえば、カスタマイズされたインソールと保護具は、エラストマーの衝撃吸収性とサポート特性を使用して、アスリートのスポーツパフォーマンスを最適化し、着用体験を向上させます。特にエクストリームスポーツやインパクトの強いスポーツでは、3Dプリントされたエラストマー材料は、運動中のアスリートへの影響を大幅に軽減し、関節や筋肉を怪我から保護することができます。

自動車や航空宇宙の分野では、軽量な衝撃吸収部品やシールなどの主要部品に3Dプリントされたエラストマーが使用されています。これらの部品は、複雑な構造設計により、重量を減らし、高い性能を維持できます。

電子製品の分野では、スマートスピーカー、スマートブレスレット、携帯電話ケースなどの製品をエラストマー材料で印刷できます。これらの製品は、優れた柔らかさと弾力性を備えているだけでなく、高い耐摩耗性と耐久性も備えており、製品の外観と性能に対する消費者の多面的なニーズを満たすことができます。

工業製造の分野では、3D印刷エラストマー技術を使用して、さまざまな工業用金型や伝動ベルトなどの部品を製造しています。これらの部品は、より大きな機械的応力と振動に耐える必要があり、エラストマー材料は優れた弾力性と耐疲労性を備えた理想的な選択肢です。これらの部品を3Dプリント技術で製造することで、生産効率を向上させるだけでなく、製造コストも削減できます。

3D印刷エラストマー技術の出現により、3D印刷製品の使用シナリオがさらに拡大し、私たちの生活によりカラフルな可能性がもたらされました。