中国香港の呂建教授の研究チームが初めてセラミックの4Dプリントを実現

アンタークティック・ベアによると、8月17日にアメリカの科学誌「サイエンス・アドバンス」の最新号に掲載された研究によると、中国・香港城市大学の陸建教授の研究グループが初めてセラミックの4Dプリントを実現したという。この新技術は、宇宙探査、電子機器、航空機エンジン製造などの分野に応用されることが期待されています。 4D プリンティングは 3D プリンティングに時間の次元を追加します。 4D プリンティングでは、デザインを材料に直接組み込むため、設定された時間に材料が必要な形状に自動的に変形し、時間の経過とともに変化します。 3D プリントと比較すると、4D プリントでは材料に対する要件が高くなります。これまで、4D プリントの「インク」としてはハイドロゲルなどのポリマーが主に使用されていましたが、ハイドロゲルポリマーの応用範囲は限られています。セラミック前駆体材料は広く使用されていますが、自己変形が困難であるため、4D プリンティングでの開発が制限されています。
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。

陸建氏は、この4Dプリント技術はパーソナライズされたカスタマイズに幅広く応用できると述べた。その利点は、比較的単純な設計図を使用することで、一連の類似した連続可変構造を導き出すことができる点であるが、従来の3Dプリントでは1つの図面に対して1つの構造しか対応できない。

さらに、4D セラミックの熱処理は完了するのに 1000 度しか必要としませんが、従来のセラミック粉末焼結には 1600 度が必要なので、4D 印刷プロセスのコストは比較的低くなります。研究者らは、この新技術が宇宙探査分野に応用されれば、3Dプリントの前駆体を折りたたんでスペースを節約し、宇宙に入った後に広げて必要な構造を得ることができるようになると期待している。

この4Dプリンティングは、3Dプリンティング、自己変形アセンブリ、エラストマー由来のセラミックスを組み合わせ、大規模セラミック構造の形状の複雑さ、機械的強度、製造コスト、環境変化への適応能力において画期的な進歩を達成しました。宇宙探査、3C電子製品、航空エンジン、防弾軍事装備、高温マイクロ電気機械システムに広く使用されることが期待されています。 4D プリンティングとは、一般的に 3D プリンティングに時間次元を追加して、特定の刺激 (熱、水、磁場、電流、紫外線など) の下で、3D プリントされたオブジェクトの形状と機能を時間の経過とともにプログラム的に変化させることを指します。 4D プリンティング技術はこれまで、ハイドロゲル、形状記憶ポリマーなどのポリマー材料に主に使用されてきました。これまで報告されている 3D プリント可能なセラミック前駆体材料は、通常、自己変形が困難であり、セラミック 4D プリントの開発が制限されています。

A.3Dプリントされたエラストマー。 B. インク直接印刷。 C. 3D プリントされたエラストマー由来のセラミック折り紙構造。 D〜E。4Dプリントセラミックスの2つの自己変形組み立て方法（方法1（D）と方法2（E））。 F~G.4Dプリントされたエラストマーセラミックス。

セラミック折り紙構造の印刷に基づいて、セラミックの 4D 印刷を実現するための 2 つの自己変形組み立て方法も開発しました。方法 1 は、プログラム可能な自動二軸延伸装置を使用して基板のプレストレスを解放し、主構造を座屈させて変形させ、基板とともに 4D プリントされたエラストマー構造を形成し、その後、熱処理後に 4D プリントされたセラミック構造を形成することです。方法 2 では、設計パターンに従って、セラミック前駆体インクを事前に伸張したセラミック前駆体に印刷します。次に、プレストレスが解放されると、前駆体は 4D 変形し、熱処理後に 4D 印刷されたセラミック構造が得られます。

この成果論文は本日、Science Advancesに掲載されました。論文の第一著者はLiu Guo博士、第二著者はZhao Yan博士、第三著者はWu Ge博士、責任著者はLv Jian教授です。著者は全員、香港城市大学のLyu Jian教授の研究グループのメンバーです。

呂建教授のプロフィール：

陸建教授は現在、香港城市大学大学院の副学長（研究技術担当）兼学部長、機械工学学院の主任教授、先端構造材料研究センターの所長、香港工程科学院のフェロー、フランス国立技術アカデミーのフェローを務めています。 2006年と2017年にはフランス大統領自らから「レジオンドヌール勲章騎士」と「レジオンドヌール勲章騎士」を2度授与された。2018年には「中国エンジニアリング業界最高賞」である第12回光華エンジニアリング技術賞を受賞した。 Lu Jian教授の研究分野には、先進ナノ構造材料の製造と機械的特性、実験力学、材料表面工学とシミュレーション、バイオおよびバイオニック材料力学、航空宇宙材料と構造プレストレスト工学、3Dプリント先進材料と製品統合設計などが含まれます。

論文リンク
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641

出典：新華社通信、香港城市大学

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