テスラのスポーツカー約3台分の重量に耐えられる4Dプリントセラミックはどのように形成されるのでしょうか?

inSite エピソード 27 の解釈: 4D プリント、セラミックはどのように変形するのか?

講演者: 劉郭、香港城市大学ポストドクター研究員

みなさんこんにちは。私は香港城市大学の劉国です。今日は「4D プリント、なぜセラミックは変形するのか」というテーマでお話ししたいと思います。

3D プリントは誰もが知っています。3D プリントとは、3D デジタルモデルを構築し、材料を層ごとに積み重ねて 3 次元構造材料を構築することを意味します。 4D プリンティングとは、一般的に、水、電気、光、熱などの特定の刺激を受けてプログラム可能な自律変形を起こすことができる 3D プリンティングで使用される材料を指します。一般的に、4D プリンティングで使用される材料は主にハイドロゲルなどのポリマー材料です。

セラミックは非常に硬い素材で、変形しにくいため、セラミックの 4D プリントの方法には制限があります。香港城市大学の呂建教授のチームは、3つの機能を同時に備えた新しいセラミックインクを開発しました。まず、複雑なポリマー構造を3Dプリントでき、柔らかくて弾力性があるため、プログラム可能な自己変形が可能です。最後に、一連の物理的および化学的な反応を通じて、エラストマーがセラミックに変換されます。これら3つの要素をサポートすることで、セラミック4Dプリントの概念を開発しました。

まずは、陶磁器を3Dプリントする方法をご紹介したいと思います。インク直書き方式を採用し、バレルにセラミックインクを入れ、空気圧押し出しにより立体的なセラミック前駆体を印刷し、加熱してセラミック化します。

たとえば、この白い立方体は 3D プリントされたセラミックの前駆体です。柔らかくて弾力性があり、非常に細かいグリッド構造が含まれています。この黒い立方体は、加熱されて物理的、化学的変化を起こして変形したセラミック構造です。変形後も立方体は立方体のままで、形状を保持する能力が優れていることがわかります。よく見ると、内部の細かいグリッド構造も良好に維持されていることがわかります。

図 | 3Dプリントされたセラミック前駆体
3Dプリントされたセラミック前駆体は弾力性が高く、繰り返し折り曲げることができます。これをストレッチマシンでテストしたところ、元の長さの 3 倍以上に伸ばして、その後元に戻ることがわかりました。これを利用して弾性位置エネルギーを蓄え、放出することができ、これは 4D プリントセラミックの基礎にもなります。最終的に形成されるのは、多層セラミック構造です。多層とは、マクロ的な視点で見ると、印刷された結果がセンチメートルレベルの目に見えるグリッド構造であることを意味します。グリッドは、その代表的なものの 1 つにすぎません。デジタルプログラミングを通じて、他の構造を設計して印刷することもできます。拡大してみると、太さ約0.2mmのワイヤーで構成された非常に微細なグリッド構造も確認できます。一本一本を拡大してみると、中に約50ナノメートルの粒子が入っているのが分かります。人間の髪の毛の直径は約50マイクロメートルなので、中のナノ粒子の直径は人間の髪の毛の直径の約1000分の1ということになります。さらに拡大すると、10ナノメートル未満のいわゆる超ナノ細孔を見ることができます。肉眼では輪ゴムのようなセラミック前駆体のように見えますが、実際にはナノマテリアルの機能を備えています。

この 3D プリントセラミックス法に基づいて、セラミック前駆体の変形能力を活用し、いくつかのセラミック折り紙構造を作成しました。セラミック折り紙構造は自律的に変形しないため、4D プリントされません。しかし、これは多くの興味深く複雑な陶器の構造を作ることができる一種の折り紙アートです。プロセスは実はとても簡単です。まず、セラミックの前駆体を印刷し、次に手作業と金属ワイヤーの助けを借りて、写真の蝶、シドニーオペラハウス、バラ、スカートなどの構造など、目的の構造に折り曲げます。

図 | セラミック折り紙構造このセラミック折り紙構造を実現する複雑さについては、ガウス曲率 K という数学的概念を通じて理解できます。陶器の折り紙を一般的な折り紙と比較してみましょう。一般的な折り紙は A4 用紙またはナプキンを使用し、k がゼロの構造しか実現できません。複雑な曲率の場合、k はゼロより大きいか、k はゼロ未満です (図のリースの構造など)。これらの従来の素材は、引き伸ばすことができないため実現できません。

図 | セラミック前駆体の印刷

セラミック折り紙の印刷技術を基に、4D セラミック印刷のコンセプトを開発しました。4D セラミック印刷は、実際には折り紙印刷の手作業部分をデジタル化して自動化することと同じです。ストレッチマシンを例に、印刷されたセラミック前駆体を伸ばします。

図 | 前駆体を伸ばし、その上に必要な構造を印刷します。伸ばした後、非常に古典的な位相構造であるミウラ折り紙構造など、必要な構造をその上に印刷できます。プレストレス張力を解放すると、上記のミウラ折り紙構造が曲がって変形し、3次元構造を形成します。最後に、4Dプリントセラミック前駆体を熱処理して、4Dプリントセラミックを得ることができます。

図 | 4D プリントセラミックのプロセス
4D プリントセラミックスの核心はセラミック前駆体の弾性にあり、この弾性ポテンシャルエネルギーを使用してプログラム可能な自律変形を刺激することができます。セラミックを 4D 印刷する別の方法も、セラミック前駆体の弾性ポテンシャルエネルギーを使用します。まず、印刷するセラミック前駆体を引き伸ばし、次に、その上に、引き伸ばし方向と一致する縞模様の構造などのいくつかの構造を印刷して設計します。このプレストレスを解放すると、このストレスの作用で変形し、最終的に曲面構造を形成します。

しかし、応力方向と平行なこの縞模様を、応力方向に対して 45 度の角度の縞模様に変更すると、螺旋状の変形が発生します。両面にストライプをプリントすると、サドルのような外観を実現できます。ストライプの角度だけでなく、ストライプの密度も変更できるため、さまざまな複雑なセラミック構造を設計できます。

図 | さまざまなセラミック構造以下では、4D プリントセラミックの基本的な利点をいくつか紹介します。まず、エネルギーと時間の観点から見ると、4D プリントセラミックには一定のコスト上の利点があります。エネルギー面では、比較的高価な3Dリソグラフィーに必要なレーザーや紫外線エネルギーは不要です。また、従来のセラミック粉末焼結技術に必要な約1600度以上の高温も必要ありません。1000度の前駆体転移温度を達成できるため、エネルギーコストの優位性を反映しています。

一連の類似構造を設計する必要がある場合、時間的利点が反映されます。従来の 3D 印刷は 1 対 1 で、3 次元モデルを設計して 3 次元構造を印刷しますが、4D 印刷では、サイズと刺激方法を変更することで、非常に単純な構造から一連の類似構造を取得できるため、特定の特定の状況では時間コストの利点があります。

2 つ目のポイントは、4D プリントされたセラミックは比較的複雑な構造を実現できることです。先ほど述べた折り紙構造に加え、従来のセラミック成形プロセスでは実現が難しい、約0.2mmの非常に薄い平面格子中空構造や湾曲ハニカム構造も実現できます。

さらに、セラミック前駆体は、自身の長さの3倍以上に引き伸ばされる強力な変形能力を備えています。これは宇宙探査に使用できるかもしれません。宇宙探査では、スペースが非常に貴重であることがわかっています。セラミック前駆体材料を折りたたんでスペースを節約し、宇宙船が宇宙に到達したときに広げることができます。太陽エネルギーまたは地上レーザーを使用して、セラミック前駆体を部分的または完全にセラミック化できます。セラミックは高温と高圧に耐える材料であるため、宇宙船の特定の部分に「防護服」の層を置くのと同じであり、過酷な環境でより役立ちます。

最後に、私たちがさらに関心を持っているのは、プリントセラミックスの機械的特性です。テストの結果、プリントセラミックスの圧縮強度は 547 MPa に達し、これはテスラのスポーツカー 3 台分の重量を圧迫できることを意味します。他の材料と比較して、比強度の概念は強度と密度の比率であり、軽量で高強度の概念を反映しています。比強度が非常に高い材料の多くは、比較的小さな構造しか実現できず、中にはナノまたはミクロン構造のものもあります。そのため、産業分野での応用は大きく制限されています。比較的大きなセンチメートルレベルおよびマクロスケールのセラミック構造の機械的特性は非常に低いため、ケーキを食べて ...当社が現在製造しているシリコンベースのセラミックナノ複合材料は、高い比強度と大きなサイズを兼ね備えており、機械工学分野における材料の応用範囲を大幅に拡大します。

出典：DeepTech 4Dセラミック印刷技術の応用展望についてお話ししたいと思います。まず、3C製品への応用についてお話しします。5G時代の到来とともに、セラミック材料はプラスチックに比べて品質が高く、外観も質感も優れているため、3C製品にますます多く使用されるようになるでしょう。金属に比べて、金属は電磁波シールド効果があるため、信号伝送においてはセラミックの方が金属よりも優れています。ガラスに比べて、セラミックは耐摩耗性と耐傷性に優れているため、ますます多くの役割を果たすようになるでしょう。

4D プリントセラミックスはこれにどのような役割を果たすのでしょうか?セラミック前駆体は折り畳み可能であるため、印刷されたセラミックの一部がセラミックで、一部がセラミック前駆体であるような構造を設計できます。そして、それらを組み合わせる方法を設計することで、柔らかいセラミックや弾性セラミックのようなものを実現し、携帯電話の背面パネルなどの場所に使用することができます。

もう一つの高温用途は航空機エンジンです。セラミック材料は融点が高いため、このような複雑なセラミック構造を製造するのは困難です。パーソナライズされたカスタムデザインと密接に関係するもう一つの分野は、バイオメディカル分野です。人体の歯や骨はさまざまな材料のセラミックでできているため、パーソナライズされたデザインに3Dプリントを使用する機会があります。さらに、セラミックインクはオープンシステムであるため、必要な機能に応じて内部のセラミックの配合を調整できるため、バイオメディカル分野での応用も期待できます。

最後に、私たちの 4D プリントセラミックス研究チームを紹介したいと思います。私たちのチームのリーダーは、フランス国立技術アカデミーの会員であり、香港城市大学の研究技術担当副学長であり、私の博士課程の指導教官でもある Lu Jian 教授です。私たちの研究は、昨年 8 月に Science Advances 誌に掲載されました。私の兄である Zhao Yan 博士と Wu Ge 博士は、この研究の中心メンバーでした。皆さん、ありがとうございました!

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