5Dプリンター?スイスの科学者が5D設計空間で複雑な構造を3Dプリントすることに成功

5Dプリンター?スイスの科学者が5D設計空間で複雑な構造を3Dプリントすることに成功
ETH チューリッヒで複合材料を研究している科学者たちは、洗練された微細構造特性を持つ複合材料を設計するために使用できる 3D 印刷方法を開発しました。これまで、この構造的特徴は自然に成長する生物学的材料にのみ現れていました。研究チームは、いわゆる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、従来の 3D 成形を超え、5D 設計の領域にまで踏み込みました。この技術は、多機能で変形可能なフレキシブル デバイスを実現する能力を備えているためです。このようなデバイスは、人間の腱や筋肉の構造に似た機械的接続システムや、ソフト ロボットの選択的な把持配置システムの作成に使用できます。


研究者らは、複数の材料を 3D プリントされたオブジェクトの単一の形状に組み合わせることができれば、動的にプログラム可能なオブジェクトを作成できる可能性があると述べています。これは、カソードとアノードの材料を充填したインクを使用してリチウムイオンマイクロバッテリーの直接配線を可能にしたり、細胞と生体適合性ハイドロゲルを組み合わせて組織の再生を研究したりするなど、すでに見られている可能性です。実装の点では、これらの 3D プリント設計は、自然界で生きた細胞が生体材料を成長させる方法に似ていますが、これまでのところ、後者のレベルの複雑さを実現することはできませんでした。 「従来の3Dプリント技術と比較すると、生きた細胞は局所的な構成と質感を独立して制御できる。これにより、少なくとも2つの自由度が加わる」と研究者らは説明した。


そこで、天然素材に見られるさまざまな構造にヒントを得て、研究者らは「5D 設計空間内で合成微細構造をプログラムおよび製造できる 3D 印刷方法」を設計しました。ここで、いわゆる 5D 設計空間とは、3D 印刷の成形機能に加えて、複合材自体の制御 (+1D) と粒子の方向 (+1D) を指します。

3DDiscovery 社の regenHU が改良した MM-3D 印刷プラットフォーム<br /> これまで、3D プリントされた形状記憶ポリマーを使用して作成された自己折りたたみ構造など、いくつかの 4D プリント技術が発表されています。現在、より高度な「5D プログラミング可能性」を実現するために、研究者はまず、磁気に敏感な粒子が浮遊している液体感光性樹脂で作られた特殊なインクを開発し、次に改造された市販の 3D プリンター (3DDiscovery の regenHU) を使用してこのインクを堆積させました。

中国の3Dプリント専門メディアプラットフォームAntarctic Bearによると、この特殊な3Dプリンターには、独立してアドレス指定可能な4つの注射器(各注射器には異なる配合のインクを入れることができる)と、2つの部分からなる混合および分配ユニットが装備されている。このユニットの機能は、インクの組成を徐々に変化させることです。研究で使用したインクは、周縁部の生成に使用する粘弾性のある「成形」インクと、輪郭内の印刷に使用する低粘度の「テクスチャ」インクという、レオロジー特性の異なる 2 種類です。


MM-3D 印刷プラットフォームを通じて配向、複合、形状制御を実現する能力を実証するために、研究者らは、自然界には存在しない複雑な形状と不均一な微細構造を持つ 3D オブジェクト (螺旋) を印刷しました (上の写真を参照)。この物体の外側にはさまざまな隆起面と凹面があり、内側は下から上まで伸びるシート状の構造で構成された螺旋階段構造になっています。全体の高さはわずか 18 mm、円形のベース直径は 16 mm、上部直径は 10 mm で、合計 60 個の円形層で構成されています。この極めて複雑な小規模の 3D プリント オブジェクトは、人工物のより高度な形態を表しています。これまでの研究結果と比較すると、生物材料や植物系に見られる豊かで複雑かつ効率的な幾何学的形状に近いものとなっています。


現在、研究者はこの 3D 印刷プラットフォームを使用して、柔軟な機械式ファスナーや 3D モーフィング キーロック コネクタを作成できるようになりました。 「他にも考えられる機能は数多くありますが、私たちが提供する例は、この異種複合材料を使用して、独自の原理で機能する柔軟な機械式ファスナーを作成することです。この構造では化学結合は必要なく、締結システムの事前にプログラムされた形状変化によって駆動されるコンポーネント間の機械的な連結のみが必要です。」

この独自の締結システムは、人間の腱や筋肉に似た機械的な接続システムを作成するために使用できます。また、別のキーロックコネクタは、自動的にトリガーされる柔軟なジョイントや、ソフトロボットの選択的な把持および配置システムに使用できます。

3ders経由
生き物、南極のクマ

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