世界トップの学術誌「ネイチャー」と「サイエンス」に3Dプリント技術が掲載

Nature 誌と Science 誌は、学術界で高い評価を得ている国際的な総合科学週刊誌です。科学界における多くの重要な発見、重要な進歩、科学研究の成果を掲載しています。 3Dプリンティングは近年人気の技術となっており、多くの研究チームがNatureやScienceに科学研究成果を多数発表しています（3Dプリンティング技術に関するトップ論文を発表する機会が多いようです）。以下では、Antarctic Bear が Nature 誌と Science 誌に掲載された 3D プリント技術に関する論文をいくつか要約します。これらはすべて、3D プリンティングの分野に大きな変化をもたらす可能性を秘めています。

サイエンス誌の表紙：革命的な CLIP テクノロジーにより 3D プリントの速度が 100 倍に向上
2015年、ノースカロライナ大学チャペルヒル校の研究者らは、科学誌「サイエンス」で、CLIPと呼ばれる新しいプロセスを紹介した。研究者らはこれを「連続液体界面生産」と表現し、比較的短時間で滑らかで複雑な物体を印刷でき、物体の印刷により多くの材料を使用できるとしている。

CLIP プロセスでは、プロジェクターが下から紫外線を使用して、オブジェクトの連続した極めて薄い断面を表示します。断面では、液体樹脂の入った容器内の液体が紫外線によって硬化します。同時に、リフトが樹脂タンクから成形物を連続的にすくい上げます。 CLIP プリンターの鍵は樹脂タンクの底にあります。酸素と紫外線を通過させる窓があります。酸素は硬化プロセスを妨げる可能性があるため、タンクの底の樹脂は継続的に「デッドゾーン」を形成し、硬化しません。この「デッドゾーン」は非常に薄く、数個の赤血球ほどの厚さしかありません。そのため、紫外線は酸素にさらされることなく通過し、その上の樹脂を硬化させることができます。タンクの底に樹脂が付着することがなく、空気中ではなく樹脂の中に印刷するため、印刷速度が非常に速くなります（空気中で印刷すると酸素の存在により硬化速度が遅くなります）。プリンターが造形物をすくい上げると、吸引ノズルが低酸素樹脂をバットの底に追加します。
CLIP は硬化プロセスを大幅に高速化するだけでなく、より滑らかな 3D オブジェクトを印刷します。このプロセスでは、3D オブジェクトが層ごとに固まるのを待つのではなく、連続印刷方式を使用するため、生成されるオブジェクトは射出成形部品に匹敵します。 CLIP の発明者らは、20 ミクロン (アクリル繊維と同じ厚さ) 未満のより微細な物体を製造でき、弾性材料や特定の生物学的材料も使用できると述べている。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-46945-1-1.html

Nature（表紙記事）： 3/4Dプリントセラミックスと高融点材料の原理、プロセス、応用 Lu Jian 氏の研究グループの印刷技術は、複合弾性セラミック材料を使用して 3D 印刷から構造変形までのプロセスを完了し、セラミック折り紙構造の印刷と 4D セラミック印刷を実現します。彼らは、比較的低コストの「インク直接書き込み技術」を使用して、二酸化ジルコニウムのナノ粒子を添加したポリジメチルシロキサン複合材料を使用した 3D エラストマー構造を構築しました。この構造は柔らかくて弾力性があり、自身の長さの 3 倍以上に伸ばすことができ、金属線を使用して折りたたんだり変形したりして、蝶、シドニーオペラハウス、バラ、スカートなどの折り紙構造を形成することができます。

研究者たちはこの柔軟な特性を利用して、3D エラストマー構造のベースを引き伸ばしてプレストレスを生成し、その上に主要構造を印刷する自動伸張装置を設計しました。プレストレスが解放されると、メイン構造が変形して 4D プリントに必要なエラストマー構造を形成し、熱処理後に 4D セラミックに変換できます。そして彼らは陶器の折り紙構造を実現した。 3Dプリントされたエラストマー構造は、金属線の助けを借りて折り曲げたり変形したりできます。熱処理後、エラストマーはセラミックに変換され、その後、金属線は硝酸で腐食され、セラミック構造だけが残ります。

超ナノ材料は、積層造形法の一種であるPVDで作られ、液体金属や金属ガラス材料から作られています。金属ガラスは3Dプリントの非常に優れた素材ですが、最大の問題は、普通のガラスと同じように脆すぎることです。近年の一連の研究を経て、当社は金属ガラスの強化の分野で大きな進歩を遂げ、一連の方法と新材料を開発しました。これに先立ち、超ナノ材料という新しい金属材料ファミリーが発表され、ネイチャー誌で中国の構造材料分野で初の表紙記事を獲得した。これは、2017年にネイチャー誌の52誌で中国の科学者が発表した唯一の表紙記事でもあった。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-132158-1-1.html

多波長光源、複数の感光性樹脂材料の同時3Dプリント ウィスコンシン大学マディソン校の科学者たちは、可視光モードと紫外線モードの両方を備え、複数の感光性樹脂材料を同時に印刷できる新しい 3D プリンターを開発した。この方法では、マルチマテリアルステレオリソグラフィー空間制御 (MASC) 技術を使用して、積層造形プロセス中にさまざまな材料の化学組成に応じて異なる光源波長を選択します。多成分感光性顔料には、対応するフリーラジカルおよびカチオン開始剤を含むアクリレートおよびエポキシドベースのモノマーが含まれます。
リンク: http://www.nanjixiong.com/thread-132977-1-1.html

ナノ核剤＋結晶化で高強度アルミ合金を実現 米国のHRL研究所は、ナノ核剤を加えることで、Al7075やAl6061などの高強度アルミニウム合金の3Dプリントに成功しました。プリントされた製品の強度と品質が大幅に向上し、ひび割れも発生しません。

Tresa M. Pollockらは、ナノ粒子を核剤として液体金属と混合して結晶の種を増殖させ、大きな温度勾配と速い凝固速度を伴う非平衡条件下で結晶の微細成長を実現し、製品の性能を向上させました。印刷されたアルミニウム合金 7075 の強度は 400MPa を超え、鍛造品の性能に匹敵します。

リンク: http://www.nanjixiong.com/thread-122795-1-1.html

3Dプリントによる損傷耐性構造「スーパークリスタル」
インペリアル・カレッジ・ロンドンのミン・ソン・ファム氏を含む研究者らは、結晶材料に見られる硬化メカニズムを利用して結晶材料の微細構造（粒界、沈殿、相など）をシミュレートし、3Dプリントによって強くて耐久性があり、損傷に強い構造材料を作製した。このような結晶性メソ構造の設計で得られる自由度は、金属合金の滑りなどの複雑な冶金現象を研究するための代替アプローチも提供します。また、多結晶材料を使用して格子を作成すると、メソスコピックスケールの構造格子内の原子格子や、多結晶のようなメソ構造内の多結晶微細構造など、多層構造材料を生成できることも示しました。さらに、この材料の特性は、マイクロスケール、メソスケール、マクロスケールの格子のさまざまな組み合わせによって簡単に調整できます。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-132424-1-1.html

低コストの電気化学マルチメタル 4D プリント ECAM
電気化学付加製造法 (ECAM) は、インペリアル・カレッジ・ロンドン (ICL) で開発された低コストの金属製造の新しい方法です。 ECAM は電気メッキの原理に基づいた製造方法で、ジュエリーに貴金属の層をさらに追加するためによく使用されます。荷電金属イオンの液体溶液を原料として使用し、これが負に帯電した銅層と接触すると固体金属層を形成します。ウー博士の説明によると、このプロセスで使用される一般的な材料には「銅、亜鉛、ニッケル、スズ」が含まれますが、合金も使用できます。「基本的に、電気メッキできる金属であれば、ECAM プロセスで使用できます」と彼は付け加えます。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-132988-1-1.html

神経幹細胞技術と組み合わせることで、3Dプリントされたハイドロゲルインプラントは損傷した脊髄を修復することが期待されています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアと神経科学者のチームは、脊髄損傷患者の神経接続と失われた運動機能を修復するためのインプラントを3Dプリントする研究を開始した。 3D プリントされたインプラントは、マイクロチャネル構造を通じて脊髄損傷の長さに沿って神経幹細胞と軸索の成長を誘導します。この研究で使用されたインプラントは、研究者らが 3D 印刷技術を使用して中枢神経系の構造を模倣して作成したハイドロゲル構造です。3D 印刷技術により、患者の脊髄損傷の正確な解剖学的構造に合わせて、さまざまなサイズと形状で迅速に製造できます。

研究者らは、3Dプリントしたインプラント/足場に神経幹細胞を充填し、失われたパズルのピースのように脊髄損傷部位にそれを取り付けた。 3D プリントされた足場は橋のような役割を果たし、脊髄損傷の一端の再生軸索を他端に接続して整列させます。神経軸索自体はどの方向にも広がって再生することができますが、足場は軸索を一直線に保ち、脊髄の接続を完了するために軸索が正しい方向に成長するように導きます。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-132266-1-1.html

FDM 3D プリンターとポリマーを使用して、強力で軽量な構造物を印刷します 繊維強化ポリマー構造は、航空機、車両、生体医療用インプラントなど、強度が高く軽量な材料が必要な場合によく使用されます。このような軽量素材は、剛性と強度が非常に高いにもかかわらず、エネルギーと労働を大量に消費する製造プロセスを必要とします。さらに、その結果は脆く、損傷しやすく、成形やリサイクルが困難になります。

研究者たちは、自然界に存在する2つの素材、クモの糸と木材からインスピレーションを得た。クモの糸は、繊維方向に沿ったシルクタンパク質の高分子配列によって、比類のない機械的特性を獲得しています。研究者たちは、液晶ポリマー（LCP）をFDM原料として使用することで、この構造を再現することができました。この設計原理は、成長して環境に適応するにつれて、応力線に応じて繊維を整列させる能力を持つ木材などの素材からヒントを得ています。

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-130081-1-1.html

革新的な高速「ボリューム3Dプリント技術」
世界トップの学術誌「サイエンス」に、「断層画像再構成による体積付加製造」に関する画期的な論文 (PDF) が掲載されました。わずか数十秒の光照射で、人間の完全な肖像画を印刷できます。

これは、X 線管が患者の周囲を回転して体内の臓器の写真を撮影する、逆コンピューター断層撮影 (CT) スキャンのような仕組みです。コンピューターはこれらの投影を使用して 3D 画像を再構築します。 3D オブジェクトのコンピューターシミュレーションの場合、研究者はさまざまな角度からオブジェクトの形状を計算し、その結果得られた 2D 画像を通常のスライドプロジェクターに送ります。プロジェクターは、合成樹脂であるアクリルが入った円筒形の容器に画像を投影します。プロジェクターが全周をカバーしながら画像を回転すると、コンテナも対応する角度で回転します。「シリンダーが回転すると、どの位置でも受ける光の量を個別に制御できます」と、カリフォルニア大学バークレー校の電気技師テイラー氏は語る。「光の総量が一定値を超えると、液体が固体に変わります。」

詳細はこちら: http://www.nanjixiong.com/thread-132362-1-1.html

金属3Dプリントにおける欠陥形成を予測する方法

3D 印刷プロセス中に、3D プリンターに供給された金属粉末内にガスが閉じ込められると、小さな空気ポケットが発生する可能性があります。これらの領域はスイスチーズのような構造をしており、周囲よりも密度が低く脆弱であるため、ひび割れなどの破損につながる可能性がある。カーネギーメロン大学と米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所の研究チームは、これらのエアポケットを特定し、その形成を予測する方法を開発した。

科学者たちは、エネルギー省科学局ユーザー施設であるアルゴンヌ国立研究所の先端光子源（APS）で極めて明るい高エネルギーX線を使用し、レーザーを使用して材料粉末を溶かして融合させるレーザービーム融合（LPBF）プロセスの超高速ビデオと画像を撮影した。

レーザーが粉末の各層をスキャンして金属を溶かし、文字通りゼロから完成品を作ります。これらの層内に小さな空気ポケットが閉じ込められると、欠陥が形成されます。これらの欠陥は、最終製品に亀裂やその他の故障を引き起こす可能性のある欠陥につながる可能性があります。

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鄭暁宇のチームが結晶構造の限界を打ち破り、圧電スマート材料を3Dプリント 米国東部バージニア工科大学の鄭暁宇（レイン）教授と博士課程の学生チームは、この限界を初めて打ち破り、任意に設計して迅速に印刷でき、電圧をあらゆる方向に増幅、低減、反転できる特性を実現できる圧電三次元材料を提案した。

彼らの設計は、圧電効果によって生成される格子原理に基づいており、格子の限界を打ち破っています。3次元幾何学構成の投影を2次元投影面に分散させることで、あらゆる方向に異なる圧電出力を持つ人工圧力感知構造を巧みに設計しました（図1）。デザインコンセプトは、おなじみの影絵ゲームと巧みに関連付けられています。このユニット人工格子構造は、配置と組み合わせにより、立体的なトラス状の構造を形成します。設計と電気機械結合有限要素計算により、3 つの座標方向で異なる対称性が実現され、任意の圧電係数の空間方向テンソルが生成され、結晶自体の対称分布をはるかに超える対称分布が実現されます。異なる接続度を持つ設計ユニットを組み合わせることで、異なる剛性と強度特性を同時に持つ完全な構造を作ることができ、電気機械多機能圧電結合材料を実現します。

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Carbon 3Dの致命的な欠陥を解決し、2つの光源を使用して固体オブジェクトの3Dプリントを100倍高速化

Carbon に代表される技術にはまだいくつかの欠陥があります。たとえば、固体オブジェクトを印刷する場合、印刷速度が大幅に低下します。これは主に、液槽底部の酸素透過膜の酸素透過量に限界があり、硬化阻害領域の隙間が透明テープ程度の厚さしかないため、固体物を印刷すると、隙間のすべての位置に樹脂を素早く補充することができないからです。ミシガン大学の研究者らは、カーボンに代表される光硬化技術の欠点を補い、100倍の速度で立体モデル構造の印刷を実現できる新たな手法を開発した。

彼らは 2 つの光源 (波長 365 ナノメートルの UV LED と波長 458 ナノメートルの青色 DLP 光源) を使用しました。そのうちの 1 つは樹脂を硬化させ、もう 1 つは樹脂の硬化を抑制します。酸素透過性膜を、樹脂が固まるのを防ぐ第2の光に置き換えることで、ミシガン大学の研究チームは、物体と液体槽の間に最大数ミリメートルの厚さの大きな隙間を作ることができ、樹脂が数千倍速く流れるようにすることができる。

論文によると、この技術のZ軸3Dプリント速度は2000mm/時に達し、記事で言及されている8台の高速光硬化型3Dプリンターの中で最高速度の1200mm/時を超えるという。物理モデルを 100 倍の速度で 3D プリントできれば、その応用シナリオは大幅に広がります。

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世界トップの学術誌「ネイチャー」と「サイエンス」に3Dプリント技術が掲載

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