外力なしで無限に可逆、二層部品の可逆4Dプリントに関する予備研究

2020年3月9日、アンタークティックベアは海外メディアから、シンガポール工科デザイン大学（SUTD）と南洋理工大学（NTU）が、電気入力なしで3Dプリントされた材料の形状を無数に変化させ、元に戻すことを可能にする研究で協力していることを知りました。

「二層コンポーネントの可逆 4D 印刷に関する予備研究」と題されたこの研究は、Amelia Yilin Lee、Jia An、Chee Kai Chua、Zhang Yi が共同執筆したものです。これは、Engineering 誌の 2019 年 12 月号に掲載されました。

(a) 不可逆的（一方向）形状記憶効果、(b) 可逆的（双方向）形状記憶効果。

可逆4Dプリント

3D プリントされたオブジェクトの形状が時間の経過とともに変化する場合は、4D プリントと呼ばれます。リバーシブル 4D プリンティングとは、元の 3D プリント形状に戻すことができる機能を指します。通常、最初の形状変化は熱や水によって引き起こされますが、形状を復元するには通常、伸ばしたり引っ張ったりする形での手動入力が必要であり、時間がかかり、手間がかかります。

近年、研究者たちは自動可逆 4D プリンティングに注目しており、人間の介入なしに可逆性を実現するための主な刺激はハイドロゲルです。しかし、ハイドロゲルは機械的強度が不足しているため、その用途は限られています。

SUTD と NTU の研究では、これらの課題に対処するために、ハイドロゲルや人工的に加えられた圧力を必要とせずに可逆的な 4D 印刷を実現しました。

プログラミング段階には3つのステップがあります。
ステップ 1: 最初の永久形状をエタノールにさらします。
ステップ 2: エタノールから形状を取り出し、60°C の水で加熱して 2 番目の永久形状を形成します。
ステップ 3: アセンブリを冷却して、アセンブリを 2 番目の永久形状に設定します。

回復フェーズには 2 つのステップがあります。
ステップ 4: 組み立てた部品を乾燥させます。
ステップ 5: 部品を加熱して最初の永久形状に戻します。

VeroWhitePlus と TangoBlackPlus
この研究で使用された材料は、入手しやすく、3D ポリジェットプロセスと互換性のある VeroWhitePlus と TangoBlackPlus でした。研究チームはまず、これらの材料が形状変化中および形状変化後にかなりの機械的強度を維持できることを実証した。
この方法では、エラストマーをエタノールで膨潤させて、ハイドロゲルの膨潤機能を置き換えます。これは遷移材料に応力を生み出すためです。加熱すると、遷移物質の形状は第 2 の形態に変化します。エタノールが蒸発してエラストマーが乾燥すると、乾燥後にエラストマーに蓄えられた弾性エネルギーによって遷移材料が引き戻されるため、遷移材料の二次加熱によって遷移材料は元の形状に戻ります。エラストマーは、プログラミング段階で応力を誘発し、回復プロセス中に材料に弾性エネルギーを蓄えるという、操作において二重の役割を果たします。

△可逆サイクルの 2 つの主な段階: プログラミングと回復。
この研究では、この方法を使用した修復は、物体を手動で強制的に修復するよりも正確であると結論付けられました。可逆 4D 印刷はまだ初期段階ですが、この共同プロジェクトは、自動化された可逆 4D 印刷の背後にあるメカニズムに関する深い洞察を提供します。研究チームは、新しい材料を使ってこの技術の実験を続けたいと考えている。
SUTDの主任研究員兼エンジニアリング製品開発責任者であるチュア・チー・カイ教授は、次のように述べています。「可逆性4Dプリンティングはそれ自体が大きな進歩ですが、形状変更時により正確な反転を確保しながらより強力な材料を使用できることは革命的です。従来の製造方法では簡単には実現できない複雑な構造を製造できるからです。電気ではなく周囲の条件に頼ることで、業界全体に革命をもたらし、製品の設計、作成、パッケージング、出荷の方法に革命をもたらします。」
リバーシブル 4D プリント構造。SUTD 撮影。
4D プリンティングは、次の次元を組み込むことで 3D プリンティングから自然に次のステップになります。しかし、4D プリンティングが現在の 3D プリンティング技術の高度さに匹敵するには、研究者が一定期間内に滑らかで複雑な表面を作成する能力を向上させる必要があります。ハーバード大学の科学者らはこれまで、塩水に浸すと人間の顔の形になる構造物を4Dプリントし、滑らかで複雑な表面を作る実験を行ってきた。ラトガース大学の別の場所では、研究者らが投影マイクロステレオリソグラフィーを使用して組織の接着を強化する、生物にヒントを得たプログラム可能なマイクロニードルを開発した。

出典: 3dprintingindustry

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