3Dプリンティングが再びネイチャー誌で特集され、マルチマテリアルとマルチノズルプリンティング技術のブレークスルーが発表されました

謝辞: ウェストレイク大学工学部の張博宇、馮凡、周南佳が技術コンテンツを提供しました。

3D 印刷技術では、マルチマテリアル印刷において常に特定の技術的ボトルネックがありました。そのため、私たちがよく目にする押し出し 3D プリンターにはノズルが 1 つしかなく、一度に印刷できる材料は 1 つだけです (下図参照)。

マルチマテリアル 3D プリンティングを実現するために、機器メーカーは通常、ノズルの数を 2 つに増やし、それぞれ異なる材料を印刷することを選択します。たとえば、1 つの材料を最終モデルとして、別の材料をサポート構造として使用します。しかし、さらに材料の種類を増やしたい場合には、ノズルの追加が難しくなるため困難になります。

△某ブランドのデュアルノズルFDM 3Dプリンター

△デュアルノズルで印刷された2つの材料モデル（出典：Sengong Technology）
1 つのノズルを使用して複数の材料を印刷する場合、異なる材料間の切り替え速度が遅すぎるため、正確な場所で材料を変更するのが非常に困難になります。したがって、下の図に示すように、混合色の効果のみを作成できます。

△シングルノズルマルチマテリアル混合カラー3Dプリント（出典：Sengong Technology）
最近、テクノロジーは新たな進歩を遂げました。 2019年11月13日、Antarctic Bearは、ハーバード大学工学応用科学学部のジェニファー・A・ルイス教授のチームが、トップの国際学術誌「ネイチャー」に「マルチマテリアル・マルチノズル3Dプリンティングによるボクセル化ソフトマター」と題するオンライン研究論文を発表したことを報じました。中国語に翻訳すると、おおよそ「マルチマテリアルとマルチノズルの 3D プリントによって生成されるボクセルレベルの柔軟なオブジェクト」という意味になります。

この記事では、単一のノズルから噴射する際に材料を素早く切り替えることで、ボクセルレベルでのマルチマテリアル機能構造の高速印刷を実現し、複雑な機能構造における3D印刷の製造能力を大幅に拡大するマルチマテリアル3D印刷技術（MM3D）について報告します。つまり、以下に示すように、1 つのノズルを使用して印刷材料をすばやく切り替え、複数の材料の正確な印刷を実現します。

△材料の切り替え速度が非常に速いため、材料の切り替えを正確に制御することで、2つの材料を印刷でき、下図のような効果が得られます。

Nature に掲載されるのにこれだけあれば、Nature 誌を過小評価していることになります。 2つの素材を印刷できるので、4つの素材で印刷することも可能です。

さらに驚くべきは、ノズルの数をさらに 4 個に増やして、4 つの材料の構造を同時に印刷し、最大 8 つの材料の同時印刷をサポートできることです。

16個のノズルを同時に印刷しても問題はなく、最大128個のノズルを並列に配置できると著者は述べています。

この技術の鍵となるのは、マルチマテリアル印刷ノズル内の流路構造の設計と、異なる材料間の正確かつ迅速な切り替えです。この設計の巧妙さは、3次元の流路構造設計により、複数の材料入口と出口を1つのノズルに統合し、高速ソレノイドバルブを使用して各流路の圧力を正確に制御することで、ノズル出口で異なる材料を連続的に切り替えて印刷し、単一のノズルでボクセルレベルの材料制御を実現していることにあります。

異なる素材の柔らかさや硬さの特性や構造設計を組み合わせることで、機能的な製品を製造することができます。チームは、MM3D 印刷技術を使用して、折り紙構造とソフトロボットを統合しました。

△3Dプリントされた折りたたみ構造

△硬い素材と柔らかい素材を同時に印刷

△ガスによる弛緩制御

△そして、フラスコ2本を運ぶこともできる3Dプリントソフトロボットになりました。将来的には、この統合型マルチマテリアル印刷ノズルにより、ボクセル化された機能構造の迅速な印刷が可能になります。さらに、印刷解像度と印刷効率の観点から、カスタマイズされた印刷インクと印刷構造の機能化も重要な研究価値と応用価値を持っています。

ルイス教授のチームは長年にわたり3Dプリンティングの分野に深く携わり、スマートマテリアル4Dプリンティング、マルチマテリアルプリンティング、埋め込みプリンティングなど、さまざまなプリンティング技術で画期的な成果を上げてきました。

アンタークティックベアによれば、現在市販されている3Dプリント機器の中で、ストラタシスJ850に代表されるハイエンド3Dプリンターは、マルチマテリアル・マルチカラー3Dプリントも実現しているという。例えば、下の目は複数の素材と色を使って印刷して作られています。 Stratasys は独自の PolyJet テクノロジーを採用しています。

しかし、この目は硬い素材で作られており、素材の硬さや柔らかさの特性を生かしていないとおっしゃいました。それでは、下の目を見てください。

しかし、Stratasys J850の現在の価格は数百万元であるのに対し、Jennifer A. Lewis教授のチームのMM3D技術ソリューションは非常に低コストで実装できます。

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