ETHは市販の3Dプリント装置で単一材料の4Dプリントを実現

ETHは市販の3Dプリント装置で単一材料の4Dプリントを実現
スイス連邦工科大学チューリッヒ校は、複合材料の 3D 印刷、4D 印刷、さらには 5D 印刷において豊富な経験を積み重ねてきました。つい最近の 2015 年には、ETH チューリッヒは、マルチマテリアル磁気支援 3D 印刷システム (MM-3D 印刷) を使用して 5D 印刷を実現し、人間の腱や筋肉に似た機械的接続システムを作成したり、ソフトロボットの選択的なピックアンドプレース システムを製造したりするために使用できる多機能の変形可能なソフト デバイスを開発しました。

最近、ETH は市販の 3D 印刷装置を使用して 4D 材料を開発したと発表しました。機械的な力を必要としないこの自己移動材料は、航空宇宙、防衛、医療などの応用分野で特別な応用が期待されています。現在、自己移動する材料の 3D プリントに関する研究のほとんどは、基本的に刺激に反応して形状が変化するプラスチックを使用しています。 これらのプラスチックは、プログラム可能な形状記憶ポリマー (SMP) と人工ハイドロゲルの 2 つのサブカテゴリに分けられます。 これら 2 種類のプラスチックの形状が変化するメカニズムは非常に異なります。

SMP は、活性化温度 (プログラミング温度とも呼ばれる) 以下に冷却されると変形し、加熱されると SMP の活動が刺激され、元の形状に戻ります。人工ハイドロゲルは、膨潤プロセスを通じて周囲の液体に反応します。 刺激が加えられている限り、ハイドロゲルの形状は継続的に変化します。 乾燥した環境では、吸収された液体が蒸発するにつれて、人工ハイドロゲルはゆっくりと元の形状に戻ります。

SMP の変形プロセスはより急激ですが、形状は記憶制御可能です。一方、人工ハイドロゲルの変形プロセスは比較的連続的であり、外部刺激がある限り人工ハイドロゲルの形状は変化し続けます。 SMPと人工ハイドロゲルの特性を兼ね備え、形状を連続的かつ厳密に制御しながら変化させるだけでなく、形状記憶性も備えた材料をいかに開発するかが、4Dプリンティングにおける大きな課題となっている。

ETH の研究者たちはまず、3D プリントされたプラスチック材料の熱力学的特性を特徴づけました。 次に、実験データを使用して線形粘弾性構成モデルを構築します。 この構成モデルと組み合わせたシミュレーションは、3点曲げ試験によって検証されます。 次に、研究者らは、活性材料のさまざまな形状変化をシミュレート、製造、テストするためのさまざまなモデルを設計しました。



変形プロセスを正確に制御するために、メタマテリアルの形状記憶サイクルを有限要素シミュレーションによってモデル化します。科学者たちは、シミュレーションされた力-変位データを使用して、梁要素に人工的な剛性を取り付け、同じ機械的動作を実現しました。 さらに、簡素化されたビーム モデリング アプローチにより、大規模で複雑な構造をより低い計算コストでシミュレートできます。
研究成果は論文「Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures」に掲載されました。このタイプの 4D プリンティングは、市販の 3D プリンティング機器と市販の 3D プリンティング材料を使用して実現され、面積を 200 パーセントまで拡張できます。これらの複雑な幾何学的動きを方向付ける鍵となるのは熱活性化であり、これはタイミングの変化、つまり形状の変化がいつどのように起こるかを通じて 4 次元に「伝える」ものです。
ETH の研究者は、設計のプログラミング面に焦点を当て、簡素化されたプログラムを通じて複雑な設計を実装することに重点を置いています。研究者の見解では、航空宇宙や医療分野など、手動で構成を変更できず、電気機械的な作動が実現できない状況では、4D プリンティングは大きな可能性を秘めています。
3Dプリントに関しては、簡単な操作性を実証するために、研究者が得た4Dメタマテリアルは実際には単一の材料で作られており、科学者が使用した機器はStratasys Objet500 Connex3 3Dプリンターです。研究チームは、市販の材料や機器をこのように革新的に使用することで、4D 材料をさまざまな用途に導入する可能性も広がると指摘しています。
出典: 3D Science Valley 拡張記事: スイスは4D印刷技術の開発で進歩を遂げました。新しい4D印刷構造: 熱で展開したり、宇宙工学の新たな推進力になったりします

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