科学最新レビュー：多機能3Dプリント

最近、テキサス大学エルパソ校の Eric MacDonald 氏と Ryan Wicker 氏 (共著者) が、権威ある科学誌 Science に「コンポーネントの機能性を高めるマルチプロセス 3D プリンティング」と題するレビューを発表しました。
積層造形は一般に 3D プリントと呼ばれ、一般の人々やメディアの注目を集めています。均一な形状と構造の物体しか製造できない従来の製造技術 (鋳造、鍛造、機械加工、射出成形など) とは異なり、3D プリントには参照となる特定のテンプレートや形状がないため、特定のニーズに応じてさまざまな複雑な形状の製品を製造できます。 3Dプリンティングは金属、セラミック、ポリマーなどの製造において大きな成果を上げていますが、従来の3Dプリンティングは単一の材料を原料として製造することに限られており、より幅広い分野での3Dプリンティングの応用と研究には限界があります。そのため、材料の機能性をさらに向上させるためには、複数の材料を複合化することが必要になります。最近登場したマルチプロセス 3D プリント、またはハイブリッド 3D プリントは、幾何学的な複雑さと実用的な汎用性の利点を兼ね備えています。このレビューは主に、3D プリントの研究背景、多機能 3D プリントの概要、多機能 3D プリントと従来の製造技術の比較、3D プリントデバイスのさまざまな機能、要約と展望の 5 つの部分で構成されています。

1. 3Dプリンティングの研究背景従来の工業製造では、大規模な均一な部品を生産する場合、組み立て手順が複雑で、原材料の無駄も発生します。 3Dプリンティングは、追加の金型を必要とせず、複雑な幾何学的形状を持つさまざまな製品を生産するために柔軟にカスタマイズできるため、一般の人々の注目を集めています。 3D プリンティングは、層間の材料の蓄積を利用して空間に広がるさまざまな幾何学的形状を形成する技術です。過去数十年にわたり、空間解像度の向上と多様な原材料の使用により、3Dプリントは消費者向け製品、航空宇宙、生化学機器などの分野でますます広く使用されるようになっています。多くの企業がすでに3Dプリントの波に乗っています。たとえば、ゼネラルエレクトリックは、2020年までにジェットエンジン用の3Dプリント部品を10万個以上製造する計画です。
しかし、3D プリンティングには解決すべき多くの課題や問題もあり、その 1 つはさまざまな 3D プリントコンポーネントの機能性を高めることです。次世代の 3D プリンティングでは、さまざまなコンポーネントの特性を統合し、統一されたツール不要のマルチプロセスプリンティング環境を使用してデバイスを製造できる必要があります。そこで、生産プロセスが相互に補完し合う、マルチプロセス 3D プリント、またはハイブリッド 3D プリントと呼ばれる技術が誕生しました。この補完的な製造プロセスには、従来の製造方法（機械加工、切断、コーティング、ロボット操作など）が含まれ、製品が電子、電磁、光学、流体、ブレーキ、化学、熱特性を同時に組み合わせることも可能になり、大きな応用可能性を秘めています。
3Dプリントされたチタン製のハンドメイド

マルチプロセス 3D 印刷技術を使用して作成されたデバイス: (A) プロセッサと加速度計が組み込まれたサイコロ、(B) 周期的なスパイラルアンテナ

2. 多機能3Dプリントの概要
3Dプリンティングは、層を積み重ねてデバイスを作成する技術であり、柔軟な製造プロセスが特徴です。 2009 年、米国材料試験協会 (ASTM) の F42 委員会は、3D プリントの基本的な用語、テスト方法、ファイル形式などを決定し、3D プリントの 7 つの基本カテゴリを特定しました。
1) 光硬化とは、光源の照射下で特定のエネルギーの光に敏感なポリマーを硬化させるプロセスです。このプロセスは、各層が選択的に硬化された後に低下します。 2) 材料の押し出しは、押し出しノズルを通して材料を選択的に分配することです。一般的に使用される材料は熱可塑性です。このプロセスでは通常、モバイルプラットフォームと押し出し機の組み合わせによる動作が必要です。 3) 粉末層溶融は、レーザーまたは電子ビームを熱源として使用して粉末の特定の部分を溶融するプロセスです。このプロセスでは、レーキまたはローラーを使用して余分な粉末を集め、新しい層を形成します。 4) バインダースプレーは、粉末状の原材料とバインダーを組み合わせるプロセスです。ほとんどの場合、含浸剤と炉の循環加熱を使用する必要があります。 5) マテリアルジェッティングは、材料の液滴を選択的に堆積させるプロセスであり、光硬化の動作も必要です。そして、各層ごとに堆積と光硬化を繰り返す必要があります。 6) 積層とは、材料の各層を組み合わせて完全な構造を形成するプロセスです。この期間中、機械加工や切断などの方法を使用して、各層を精密に成形する必要があります。 7) 指向性エネルギー堆積は、原材料の堆積とエネルギー源（レーザーまたは電子ビーム）を組み合わせて材料表面に構築するプロセスです。
上記の各プロセスの目的は、構造の安定性を強化し、機能性を高めることです。 1990 年代初頭から、学者たちは材料の機能性と構造を強化する 3D プリントの段階的な操作について報告していました。それ以来、多くの研究者が 3D プリント製造技術のさまざまな進歩を報告してきました。
積層造形における多機能性は、材料の基本機能に加えて追加の特性も導入することとして広く理解できます。たとえば、構造全体にわたって複数の色と濃度が段階的に設定されており、実際、複数の色彩プロセスの使用は長年にわたって商品化されてきました。市販の 3D プリンターの汎用性を示すもう 1 つの例として、機械的なメタマテリアルを使用して負の剛性を減らし、振動を抑制してキャビンの騒音を減らすことが挙げられます。
ほとんどの多機能構造の製造には、3D プリントを含む複数の製造技術を統合するとともに、他の補完的な技術を使用して材料の空間制御、形状、機能性を向上させる必要があります。これらの積層造形機能は、金属線、バッテリー、アンテナ、その他の部品を組み合わせることで実現できます。電気と熱の導入と相互作用により、サブシステム間の通信を強化したり、構造全体にエネルギーや熱を伝達したりすることができます。たとえば、2D プリンティングの分野では、導電性インクと導電性接着剤を使用して、直接書き込みに使用できる柔軟なデバイスが製造されています。
導電性インクと導電性接着剤の研究は、多くの研究者やスタートアップ企業の注目を集めています。たとえば、ハーバード大学を拠点とするスタートアップ企業 Lewis Team は、空気圧導電性インクノズルを組み合わせた初の低コスト 3D プリンターを発表しました。このプリンターは、導電性インクを使用して、3D プリント構造間の導電性を高めることができます。さらに、テキサス大学エルパソ校の WM Keck 3D イノベーションセンターでは、2004 年にはすでに 3D プリント回路を製造し、優れた特性を実証していました。
電子3DプリンターVoxel8を使用して印刷された構造：（A）クワッドコプタードローンのX線画像、（B）回路

銅線が接着されたポリカーボネート基板の側面図

3. 多機能3Dプリンティングと従来の製造技術
3D プリンティングに基づくマルチプロセス付加技術は、従来の製造技術に比べて出力が低いという問題に直面しています。しかし、新しい 3D プリント技術には独自の利点もあります。たとえば、複雑な組み立てプロセスを必要とせずに、各製品を個別にカスタマイズできます。一部の付加的技術を使用して製造された製品は、依然として異方性強度の問題に直面しています。しかし、レーザーまたは電子ビームを使用して金属粉末層を融合する最新の技術により、従来のプロセスや鍛造材料に匹敵する製品が製造されています。これは、ゼネラルエレクトリックが大規模生産に 3D 印刷システムを使用する直接的な原動力でもあります。
3D プリンティング技術は大きく進歩しましたが、従来のプロセスで製造された製品と比較すると、電子デバイスの配線密度、導電性、電気強度、誘電率、誘電損失、安定性にはまだ改善の余地があります。

4. デバイスの印刷または埋め込み機能
長年にわたり、付加的なプロセスでは、さまざまな用途の物理モデルとして複雑な形状が使用されてきました。しかし、過去 10 年間で、印刷または組み込み技術を使用して 3D プリント製品にセンシング、電磁気、エネルギー貯蔵、推進などの特性を持たせるという点で大きな進歩がありました。以下に簡単に紹介します。
4.1. センサー3Dプリント技術とセンサーの組み合わせの使用は、主に次の2つの側面に焦点を当てています。1) 印刷プロセス中にセンサーを構造に直接埋め込む2) 3Dプリント構造全体にセンサーを統合する
これらの研究アイデアに従って、研究者は、設計された空洞に、マイク、角加速度計、カメラ、LED 光源、加速度計、圧力センサー、ダストセンサー、生体電気センサーを直接埋め込みました。
3Dプリント触覚センサー: (A) 伸縮性触覚センサー、(B) 静電容量触覚センサー
4.2. アクチュエータシンプルな格納装置からフル機能の回転モーターに至るまで、さまざまな機械式アクチュエータが開発されてきました。例えば、研究者たちは、生物にヒントを得て、外部の動きに依存する昆虫の羽ばたきの翼や義手を開発しました。これにより、3D プリントプラットフォームを使用して電動ロボットを作成することも可能になります。
4.3. 熱3D プリントの設計の自由度により、幾何学的に複雑なさまざまな熱交換器が長年にわたって研究されてきました。金属 3D 印刷システムは、大きな表面積構造を持つ高熱伝導性デバイスの製造に使用されており、流体熱交換デバイス、3D 印刷された射出成形金型、さらには熱核反応炉にも適用されています。 3Dプリント技術の開発により、ヒートパイプや相変化物質貯蔵タンクを製品に直接統合できるようになります。
4.4. エネルギー貯蔵現在、従来のリチウムイオン電池製造技術は、あらゆる形状の電池を生産することができ、さまざまな電子製品に使用されていますが、これらの電池には高価な金型が必要です。近年の研究では、3D プリント技術を使用してリチウムイオン電池が作られています。しかし、現在の研究段階では、3Dプリントバッテリーは従来のバッテリーよりも製造温度が高く、エネルギー密度が低いため、応用の面ではまだ長い道のりがあります。これは、現在研究者が直面している問題でもあり、早急に解決する必要があります。

3Dプリントされたリチウムイオン電池
4.5. アンテナや電磁気デバイスの 3D プリントの流行により、アンテナや電磁気デバイスの従来の製造方法に対する考え方が見直されるようになりました。一部の研究チームは、金属線、金属メッシュ、金属箔などの材料を 3D プリント構造に埋め込み、誘電特性と導電特性の空間分布を制御しています。 3Dプリント技術を用いて作られたアンテナは、適切な無線周波数と低い損失係数を備えており、アーチのある構造物にも適用できます。しかし、3D プリントされた電磁デバイスでは、誘電率の低下と熱可塑性プラスチックによって形成される気孔がデバイスの性能に影響を与えます。

さまざまな 3D プリントアンテナ: (A) 円筒パッチアンテナ、(B) アルキメデスアンテナ、(C) マルチパッチアンテナ4.6. スラスタNASA の推進により、3D プリント技術は宇宙船や衛星の打ち上げにおいて大きな進歩を遂げました。さらに、NASA は宇宙探査における 3D プリントの実現可能性を研究する委員会も任命しました。スラスタは特殊なタイプの駆動装置であり、主に宇宙探査研究に使用されます。金属印刷技術を使用して宇宙船用のロケットスラスタを製造するという報告もあります。

5. まとめと展望
この記事では、ハイブリッド 3D 印刷技術を使用して製品の機能を向上させるための主な研究の進歩について詳しく説明します。次世代の 3D 印刷技術では、異なる材料を組み合わせるだけでなく、機能コンポーネントを製品の構造に組み込んで、複数の機能を備えた製品を実現します。既存の研究結果では、ハイブリッド 3D 印刷技術は多機能でパーソナライズされた製品を生産できることを示していますが、主に次のような解決すべき問題がまだ多く残っていることを認めなければなりません。
·材料の強度の向上·異なる材料の柔軟性、熱特性、電気伝導性の違い·複数のコンポーネントの安定性を確保するために材料の界面特性を改善する·コンピューター支援またはコンピューターモデリングを使用して材料特性を最適化する·プリンターのプロセスフィードバック制御· 3Dプリントのハードウェア製造およびソフトウェア開発技術
出典:マテリアルピープル

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