出典: マテリアルピープル
石器時代から第三次産業革命に至るまで、人類の生産性と生産方法は多くの画期的な変化と改善を遂げてきました。材料科学とコンピュータサイエンスの発展により、科学者はソフトウェア プログラムを通じて製品モデルを構築し、そのモデルを層ごとに印刷して目標製品を生産する付加製造プロセスを設計しました。このプロセスの利点は、不必要な無駄を避けながら、コンパイルを通じて多くの複雑なネスト構造の製品を生成できることです。 しかし、加工技術の本質的な違いにより、積層造形（3Dプリントでよく見られる）で生産された製品の性能は、従来の製造方法で生産された製品の性能とは異なります。科学者たちは、より幅広い原材料や用途に適応できるように、既存の 3D 印刷技術を積極的に開発および改良しています。この記事では、過去 2 年間に Nature に掲載された 3D プリンティングに関する研究結果の一部を要約し、現在この研究分野に携わっている、または携わりたいと考えている科学者に参考情報を提供します。
1.3Dプリント高強度アルミニウム<br /> 伝統的な材料として、金属材料は航空宇宙、バイオメディカル、自動車工学などの業界でよく使用されます。しかし、約 5,500 種類の一般的な金属材料のほとんどは、3D プリント プロセスには適していません。印刷中の溶融および凝固プロセスにより、材料の微細構造に大きな柱状の粒子と周期的な亀裂が生じるためです。これらの微細構造の欠陥により、材料の機械的特性と耐久性が著しく低下します。これにより、従来の処理によって生産された同じ種類の材料の使用を置き換えることが不可能になります。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のトレサ教授と彼のチームは、3Dプリント中に硬化を制御するナノ核剤粒子を導入することでこの問題を効果的に解決できることを発見し、「高強度アルミニウム合金の3Dプリント」と題した研究結果をネイチャー誌に発表した。材料の結晶学的情報に基づいて適切な核生成剤を選択し、7075および6061シリーズのアルミニウム合金粉末に統合しました。これまで 3D プリントには適さなかった高強度アルミニウム合金も、核剤で機能化した後、選択的レーザー溶融法を使用して製造できます。この材料は微細構造に亀裂がなく、等軸であり、その強度は鍛造材料に匹敵します。この金属ベースの付加製造方法は、幅広い合金にも適用できます。したがって、これは合金材料の 3D 印刷技術の広範な産業応用の基盤を提供し、溶接不可能なニッケル超合金や金属間化合物などの他の合金システムの製造を改善することができます。さらに、この技術は、接合、鋳造、射出成形などの従来の加工にも使用できます。凝固割れや熱割れも、これらの処理技術でよく見られる問題です。
図1 核剤を使用せずに3Dプリントした合金製品の微細構造は、周期的な亀裂と非等軸構造を示しています（上）、核剤を使用して3Dプリントした合金製品のシームレスな等軸結晶構造（下）を示しています[1]
2. 急速に変換可能な強磁性ドメインを持つソフトマテリアルの 3D プリント<br /> 3Dプリント技術の発展に伴い、科学者たちは製品の幾何学的構造と性能の最適化について広範な研究を行っただけでなく、材料の機能化の研究にも多大な労力を費やしてきました。研究の方向性の 1 つは、いくつかの柔らかい材料に特定の変更を加え、光、熱、磁場、電場の刺激を受けて製品が 3 次元空間で形態変化を起こすようにすることです。この材料は、バイオメディカル、ロボット工学、フレキシブルなウェアラブル電子デバイスなどの分野で大きな応用の見込みがあります。特にバイオメディカル分野では、磁場を利用して遠隔で安全かつ効果的な手術を実現できます。技術の進歩により、現在の磁気応答性材料は、個別の磁石を埋め込んだり、軟化化合物に磁性粒子を組み込んだりすることで、ポリマーシート内での不均一な磁気分布を実現しています。
MITのXuanhe Zhao教授と彼のチームは、強磁性ドメインソフトマテリアルの印刷技術を改良し、「拘束されていない高速変形ソフトマテリアルのための強磁性ドメインの印刷」と題した研究結果をNature誌に発表しました。彼らは強磁性粒子を含むエラストマー複合材料に直接インク印刷しました。印刷中にノズルに磁場が適用され、磁性粒子の方向が変えられ、パターン化された磁気極性が実現します。この改良された方式により、複雑な 3D プリントされたソフト マテリアルに強磁性ドメインをエンコードすることが可能になります。これにより、負のポアソン比を持つメタマテリアルのオーセチック挙動の遠隔制御など、この技術以前には実現が困難であったモードの切り替えが可能になります。同社の製品は、既存の3Dプリント活性材料に比べて駆動速度と電力密度が数桁優れています。さらに、研究者らは論文の中で、複雑な形状変化が可能な柔らかい素材を柔らかい電子機器やロボットに使用できる可能性も実証した。
図2 磁場印加後の異なる3次元空間構造を持つ強磁性ドメイン3Dプリント製品の変形状態 [2]
3. 3Dプリント層状構造用液晶材料<br /> 繊維強化ポリマー構造材料は、高剛性、高強度、軽量という利点があり、航空宇宙、車両、バイオメディカルの分野で広く使用されています。しかし、この高強度材料の製造には多大なエネルギーと多大な労力が必要です。素材自体には脆く、リサイクルできないなどの欠点があります。さらに、現在のポリマー軽量材料の製造プロセスには、複雑な構造を持つ 3D プリント製品の機械的特性が劣っていることと、高強度性能を持つポリマー製品は単純な幾何学的構造の製造にしか適していないという 2 つの障害があります。高い設計自由度と優れた機械的特性を組み合わせるために、科学者たちは液晶エラストマーの 3D 印刷プロセスを開発しました。これにより、材料の機械的特性はある程度向上しますが、それでも高性能液晶合成繊維材料製品に比べると3〜4桁低い値となります。
対照的に、指向性自己組織化によって形成された骨、絹、木材の階層構造も優れた機械的特性を備えており、リサイクルしやすく環境に統合することができます。科学者のシルヴァン・ガンテンバイン氏はこの構造的特徴を活用し、3Dプリント法を改良して、層状構造を持つ高強度、高靭性、リサイクル可能な軽量材料構造を生成しました。この新しい構造材料の特徴は、押し出しプロセス中の液晶ポリマー分子の非常に方向性のある自己組織化に由来します。印刷経路に沿って分子を高度に配向させることで、事前に設定された機械的特性に従ってポリマー構造を強化することができ、製品の強度と剛性は現在の最先端の 3D 印刷ポリマー材料を超え、高性能軽量複合材料に匹敵するようになりました。さらに、3Dプリント技術のボトムアップ製品形成特性を活用することで、現在の製造プロセスの典型的な限界を打ち破り、より多様で自由な構造の製品を生産することができます。シルバン氏と彼のチームは、自然界の高強度バイオマテリアルの成長原理に基づいて 2 つの設計原理を提案しました。1 つ目は、印刷経路上の液晶ポリマー分子の自己組織化プロセスによって異方性を実現すること、2 つ目は、3D 印刷技術を使用して、製品の特定の動作環境と負荷状態に応じて材料の構造、剛性、強度をカスタマイズし、局所的に変更することです。
図3 液晶ポリマー製品の3Dプリント層構造の模式図[3]
4.結晶構造を模倣した構造材料の3Dプリント
3D プリントの大きな利点の 1 つは、従来のプロセスでは実現できない複雑な幾何学的構造を印刷できるため、コンポーネント間の接続ポイントが減り、原材料を節約しながら優れた機械的特性を実現できることです。科学者たちは、図 4 に示すように、3D プリント技術を使用して、結晶構造に似た周期的に配置されたノードと柱を持つ建築組織を作成しようとしました。この構造材料は、軽量で特殊な機械的特性（負のポアソン比など）を特徴としています。研究の方向性としては、単位セルの構造を最適化し、周期的に配置することが挙げられます。セルは同じ方向になるように配置されます。したがって、荷重が降伏点を超えると、局所的に高応力帯が発生し、機械的強度が壊滅的に低下します。この崩壊は、従来の固体金属単結晶材料における転位滑りによって引き起こされる応力低下と似ています。
図4 FCC結晶構造と結晶構造を模倣するように設計された構造材料[4]
英国インペリアル・カレッジ・ロンドンのミン・ソン・ファム教授は、他の学者の研究方向性を脇に置き、粒界、析出、相など実際の結晶材料の微細構造を模倣して、強くて耐久性のある構造材料を開発することを検討しました。彼らは、マクロスケールでの結晶のような構造の原理は、ミクロスケールでの結晶の硬化原理と同じくらい重要であると考えています。金属単結晶の硬化原理と構造材料を組み合わせることで、期待される性能を満たす材料を開発・設計することができます。一連の実験を通じて、金属の単結晶硬化の原理を構造材料に適用し、材料の機械的特性を向上させることに成功したことを発見しました。彼らは「結晶微細構造にヒントを得た損傷耐性のある構造材料」と題した研究結果を発表しました。
図5 金属単結晶材料の硬化原理を模倣した構造材料の模式図[4]
5. 空間（非積層）積層造形プロセス<br /> 付加製造技術（3D 印刷技術）は、複雑な幾何学的構造を構築できるため、医療機器、光学機器、航空宇宙部品、ツールなど、実際の生産および産業分野でますます使用されています。現在の積層造形プロセスでは、一般的に 1D または 2D の単位を繰り返すことによって 3 次元の幾何学的構造を実現します。しかし、この加工方法では、製品の表面品質や滑らかさが不十分となり、複雑な入れ子構造には適していません（サポート材が必要）。さらに重要なことは、層ごとに処理すると機械的特性に異方性が生じる可能性があることです。
カリフォルニア大学バークレー校のヘイデン・テイラー教授とそのチームは最近、あらゆる幾何学的構造に合わせてすべての点を同時に製造できる製造技術を開発し、「断層再構成による体積付加製造」と題する研究結果を発表しました。彼らは、図 6 に示すように、軸の周りの光重合によって生成物を合成しました。この合成方法は、従来の 3D 印刷方法に比べて多くの利点があります。この方法では、高粘度の液体や固体に直接印刷できるため、サポート構造を回避できます。このアプローチにより、処理速度が数桁高速化され、異方性の機械的特性も回避されます。多角度露光を使用して 3D 印刷処理技術を実現するこの技術は、一般的な医療用画像処理方法である CT スキャン技術からヒントを得ています。この合成方法は、CT イメージング方法の逆応用と見ることができます。ソフトウェアによって合成された 3D モデルを逆にデジタル変換して、各角度でのイメージングと光放射強度を計算します。この 3D プリント技術は、私たちがよく知っている加工技術とは根本的に異なります。製品の加工方法は、層ごとに行うのではなく、空間合成によって行われます。
図6 軸周りの複数の角度での光重合反応の模式図[5]
概要<br /> 近年 Nature に掲載された結果から判断すると、研究結果に関する優れたレポートには、材料特性のブレークスルーだけでなく、通常、技術の改善、新技術の開発、さらには学際的な分野の関与も伴うはずです。 3D プリント技術の研究開発が飽和状態に達するには程遠いことが予想されます。今のところ、ほとんどの材料はこの技術には適していません。技術の進歩のあらゆる段階には困難が伴いますが、これらの障害の背後には無限の機会と可能性が存在します。
参考文献
[1] Martin, J., Yahata, B., Hundley, J., Mayer, J., Schaedler, T., & Pollock, T. (2017). 高強度アルミニウム合金の3Dプリント。Nature, 549(7672), 365-369. doi: 10.1038/nature23894
[2] Kim, Y.; Yuk, H.; Zhao, R.; Chester, S.; Zhao, X. 非拘束型高速変形ソフトマテリアルのための強磁性ドメインの印刷。Nature 2018, 558, 274-279。
[3] Gantenbein, S.; Masania, K.; Woigk, W.; Sesseg, J.; Tervoort, T.; Studart, A. 階層的液晶ポリマー構造の3次元印刷。Nature 2018, 561, 226-230。
[4] Pham, M.; Liu, C.; Todd, I.; Lertthanasarn, J. 出版社訂正：結晶微細構造にヒントを得たダメージ耐性のある建築材料。Nature 2019, 567, E14-E14。
[5] Kelly, B.; Bhattacharya, I.; Heidari, H.; Shusteff, M.; Spadaccini, C.; Taylor, H. 断層再構成による体積付加製造。Science 2019, 363, 1075-1079。
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