石宇勝：3Dプリントとゲノムを組み合わせて新しい材料を作ることができる

この記事は、Regeneration Timesが開催した上海Inside 3D Printing Industry Summit ForumでのShi Yusheng教授の講演に基づいています。Shi教授は、3Dプリントの出現の意義、その発展傾向、および既存の問題を分析しました。その中でも、「社会化された製造モデル」、「データフロー」、「3Dプリントとゲノムの結合」などの一連の非常に斬新な視点は特に注目に値します。そこで、Shi教授のこれらの興味深い見解を整理して、皆さんと共有します。

製造業は3つのカテゴリーに分けられます。1つ目は、3,000年以上の歴史を持つ等質材料製造です。2つ目は、300年以上の歴史を持つ減算製造です。3つ目は、従来のものに比べると非常に新しい、30年の歴史しかない付加製造です。新しいとはいえ、非常に重要な意味を持っています。

重要性はどこにあるのでしょうか?

3D 印刷技術は、従来の製造技術のいくつかの複雑さを打破します。形状の複雑さにより、ほぼあらゆる程度の形状特徴を持つ部品の成形と製造が可能になります。材料の複雑さにより、フルカラーと異種構造が可能になります。機能の複雑さにより、一体成形が可能になり、組み立てが簡素化または不要になります。

こうした複雑さを打破することは、あらゆる分野に広範囲にわたる影響を及ぼします。

まず、3D プリントは製造業に革新的な原動力を提供します。3D プリント技術は、製品の創造性と革新の空間を拡大し、処理の問題を心配することなく部品や機器の最適な設計を行うために使用できます。

第二に、製品の研究開発とイノベーションのコストが大幅に削減され、イノベーションと開発のサイクルが短縮されます。 3Dプリント技術は従来の製造業と組み合わせることができ、例えば自動車エンジンのシリンダーヘッドの開発コストを200万元から2万～3万元以下に削減し、開発期間を半年から約1週間に短縮することができます。

3 つ目は、3D プリンティングにより生産プロセスの能力が向上することです。製造を簡素化し、製品の品質と性能を向上させます。エンジンノズルは以前は 20 個の部品で構成されていましたが、現在は 3D プリントを使用して 1 つの部品に統合されています。第二に、従来の技術では加工できなかった部品も製作できるため、加工実現能力が大幅に向上します。例えば、エンジンブレードを中空メッシュ形状にすることで、軽量化だけでなく機能性も実現できます。難加工材料の加工性を向上させ、エンジニアリング応用分野を拡大します。セラミックのような材料は加工が難しいですが、3D プリントを使用すると加工が容易になります。

4. グリーン製造モデルを実現する。製造業による汚染は世界の汚染の 48% を占めています。材料使用量を削減するために、中空メッシュにすることもできます。

5. 新しいビジネスモデルと新しい製造システムを形成する。私たちは、設計からサービスまですべてを製造と呼んでいます。将来的には、製造モデルはパーソナライズされた製造サービスになります。私たちの物流はデータの流れです。倉庫や物理的な輸送はありません。私たちの物流はデータの流れです。お金を払うと、データが送られ、3Dプリントを使用して印刷できます。 3D プリント技術は、新しい製造モデルを生み出すでしょう。それは、ほとんどのネットユーザーがデザイナーになれる社会化された製造モデルであると私は信じています。

開発動向

モノクロからマルチカラー、さらにはフルカラーの表面テクスチャへの発展。新しいソフトウェアがもうすぐ登場します。以前はジオメトリのみでしたが、現在は3MF形式になっており、将来的には材料や構造の情報も含まれる予定です。

単一材料から複数材料の機能傾斜材料へと発展しています。

マクロプロセス構造とマルチスケール構造の方向への発展。同じ材料を使用して異なる弾性係数で印刷する

組織構造。たとえば、ぬいぐるみのさまざまな部分に、1 つの素材を使用して異なる柔らかさや手触りを実現できます。さらに、3D プリントは、ほぼ任意に制御可能な弾性係数を持つ 1 つの材料から作られた望ましい構成要素であるメタマテリアルを使用するために使用できます。

ナノスケールのマイクロ3Dプリントを実現します。

光電フレキシブル印刷を実現します。私たちが身に着けているベルトや衣服には、光電子デバイスが印刷されています。私たちが使用しているコンピューターや携帯電話の回路基板は硬いものですが、将来的にはフレキシブルな回路が印刷されるようになるでしょう。

生物の印刷は機械の部品の印刷だけではなく、人間の体の部品の印刷も含まれます。現在は義歯、活性非組織材料、活性軟組織、肝臓、腎臓の4つのレベルがあり、これらの生体臓器は非常に重要な役割を果たします。

3Dプリントで素材を作るには、素材のゲノムと組み合わせる必要があります。昔は米や生物のゲノムがありましたが、今、世界では素材のゲノムが変化しています。材料ゲノムを取得した後、3D プリント材料ゲノムのデータを使用して材料を作成し、構造要件を満たすことができます。原子スケール、メソスコピックスケール、マクロスケールのスケールから。光電子工学の問題やホットスポットの問題など、一連の問題を解決できます。将来的に機能的な楽器を生み出すデバイス。電子コンデンサは印刷プロセス中に印刷できます。

3D プリンティングを等材料製造と減算製造（半分は加法、半分は減法）と組み合わせることで、複雑で表面が粗く、品質が非常に低いモジュールを生産することが可能になります。

3Dプリントは将来、診断装置として病院に導入されるでしょう。これまでCTスキャンやX線では平面画像を鮮明に映すことができなかったのですが、将来的には立体画像をプリントできるようになります。

これは初等・中等教育にも拡大され、さらに重要なことに、学習レベルと学業成績の向上につながります。 3D プリントを使用すると、化学分子などのものを手で理解することができます。

未来の家に足を踏み入れると、食品、おもちゃ、衣服、靴などを製造する 3D プリンターが数多く見られるようになるでしょう。

未来の工場は3Dプリンターになります。倉庫はなくなります。あらゆる情報データを処理するビッグデータになります。物流もありません。社会の誰もが製造し、創造できる社会化された製造モデルになります。

厳しい課題に直面

1つは、3Dプリントの設計理論と方法が存在しないということであり、もう1つは、3Dプリント材料の設計理論と方法が存在しないということです。たとえば、歯科用 CT モデルを描くと、ソフトウェアによってメッシュが自動的に生成されます。金型冷却管をソフトウェアに入力し、冷却管が自動的に生成されます。そのような設計理論アプローチは存在しません。

3Dプリンター設備に関しては、現状の成形精度が不十分であり、小さな部品を作るのに成形効率が数週間かかります。

3Dプリンターの設備は高価で、一般の方や中小企業では購入できません。どうすればいいでしょうか？価格を下げる方法を見つけましょう。

3D プリンター設備の安定性は保証できません。ハルビンと上海で製造された部品には違いがあるかもしれません。今日製造されたものと明日製造されたものには違いがあるかもしれません。多くの主要部品の生産がしばらく停止される可能性があります。

さらに、さまざまな主要コンポーネント、つまりレーザーがありますが、これは国産のレーザーでは解決できません。特に、SLM のようにレーザーの非常に高い安定性が求められるものはそうです。ノズルや主要部品などの各種光学システムもボトルネックとなっています。

3D プリント材料は種類が少なく、価格が高く、性能も低いです。数千万、あるいは数億の価値がある材料を使用する従来の方法と比較すると、3D プリントの材料は非常に不足しています。チタン合金は非常に高価で、1 キログラムあたり数千元かかります。材料は 3D プリント技術の主な制限です。

3D プリンティングの用途に関しては、機械的特性、破壊靭性、疲労性能、膨張抵抗、高温耐久性能、組織構造などのコンポーネントに関する標準システムが欠如しています。特に高温回転部品については、あえて3Dプリントを採用するところはなく、現在は比較的成熟したチタン合金が使用されています。航空宇宙分野にはいくつかの規格がありますが、他の材料には規格がありません。
出典: 3Dプリンティングワールド

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