極細繊維を大量生産する新しい3Dプリント方法

2025年2月23日、アンタークティックベアは、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者が、直径1.5ミクロンの極細繊維を製造する新しい方法を開発し、生物の繊維構造を模倣するスケーラブルな技術を提供していることを知りました。ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載されたこの研究には、ケンブリッジ大学、チャップマン大学、弘益大学の研究者も参加した。高速溶媒交換3Dプリンティング（3DPX）と呼ばれるこの技術は、数十センチメートルの長さの繊維を作成することができ、ロボット工学、医療、先端材料への応用が期待されています。

△関連研究は「埋め込み溶媒交換による小さく連続した柔らかい繊維の高速3Dプリント」（ポータル）
従来の製造方法とは異なり、3DPX テクノロジーは溶媒交換によって押し出されたポリマーフィラメントの急速な固化を実現し、柔軟性と高アスペクト比の点で従来の方法の限界を克服します。このプロセスの印刷速度は 5 mm/s に達し、従来のメニスカスガイド印刷技術をはるかに上回ります。繊維をほぼ瞬時に固化させることで、毛細管現象による破損を効果的に回避し、繊細な構造の安定性を確保できます。

「自然界では、多くのフィラメントの直径はわずか数マイクロメートルです」とエンジニアのモハマド・タンバー・ホサイン氏は言う。「これを実現できるとわかっていました。」

△埋め込み型3Dプリントで作られた螺旋構造
3Dプリントマイクロファイバー

実験結果によると、5 ミクロンのノズルでは、直径がわずか 1.5 ミクロンでアスペクト比が 3400 を超える繊維を生成できます。研究者らは、この規模でのプロセスの安定性を確保するために、支持ゲルのレオロジーおよびポリマー組成を微調整し、この技術の堅牢性を実証しました。

△埋め込み型溶媒交換3Dプリンティング（3DPX）機構この技術は、熱可塑性エラストマー、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（PVC）など、さまざまな材料への適用性も実証されています。彼らは、エレクトロニクスやセンサー技術への応用に潜在的価値を持つ、カーボンナノチューブを含むポリマーナノ複合材料のテストも行いました。

研究チームは、単一の繊維に加えて、直径2ミクロン未満、長さ1,500ミクロンを超える弾性基板に固定された髪の毛のようなアレイの印刷にも成功しました。これらのアレイは、自然界に見られる感知および接着メカニズムからヒントを得た触覚センサー、薬物送達マイクロニードル、マイクロ流体デバイスなどの重要な用途に使用されています。

△3DPXは、自然界の細い毛や繊維の特性を再現することができます。拡張性も3DPXの特長です。マルチノズル印刷システムは、同一の印刷物を並行して生成できる 9 ノズルマニホールドなど、複数の構造を同時に製造できることを実証しています。この機能により、効率と精度が同等に重要な産業用アプリケーションにおける生産性が向上します。

研究チームはコイル、らせん、曲がったフィラメントについても実験し、その結果、印刷速度とゲルの降伏応力がフィラメントの形状保持に直接影響を与えることがわかった。降伏応力値が高いほど機械的サポートが向上し、押し出し中にフィラメントがずれるのを防ぎます。印刷速度が遅いほど、堆積をより制御でき、繊維が意図した軌道に密着することが保証されます。

△材料ライブラリ、フィーチャーサイズ、ジオメトリーを含む 3DPX 機能。既存のテクノロジーと比較して、3DPX テクノロジーは直接インク書き込みフィーチャーサイズにおいて新たな記録を打ち立てました。硬化性シリコンゴムを使用するものなど、これまでの組み込み型 3D 印刷技術では、8 ミクロン未満の精度を達成するのが困難でしたが、3DPX 技術により、これが 1.5 ミクロンまで低減されました。通常は速度が遅く、外部サポートを必要とする電気流体力学 (EHD) 印刷やエアロゾルジェット印刷とは異なり、3DPX テクノロジーはより高速に動作し、自由形式でサポートフリーの印刷を可能にします。

もちろん、どんな研究にも課題はあります。研究チームは、超高アスペクト比繊維の印刷後の処理は依然として困難であり、材料の配合と支持ゲルの特性をさらに改善することで安定性が向上するだろうと指摘した。

ホセイン氏は、このアプローチは「極細繊維を機能性材料と組み合わせることで、自然にヒントを得た繊維構造を再現できるため」大きな可能性を秘めていると指摘した。

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