高性能共有結合適応型ネットワーク形状記憶ポリマーの再構成可能な 4D 印刷

出典: MF High Precision

4D プリンティング技術により、3D プリントされた構造は外部環境刺激を受けて積極的に変形することができ、3 次元の機械部品とドライバーの一体成形を実現します。スマートマテリアル 4D プリンティングは、国内外で学際的な研究のホットスポットの 1 つです。形状記憶ポリマー (SMP) は、高い造形能力を備えたスマート材料の一種であり、4D プリントで広く使用されています。ただし、ほとんどの SMP は熱硬化性材料であり、安定した化学架橋を持つため、1 つの形状しか「記憶」できません。印刷された 3 次元 SMP 構造が複数の形状を「記憶」し、複数のタスクを実行できるようにするには、SMP プラスチックの架橋ネットワークを作成する必要があります。共有結合適応ネットワーク (CAN) は、SMP の可塑性を実現するための効果的な手段です。現在の CAN-SMP では、機械的強度、印刷性能、再構築能力、変形能力の総合的なバランスを実現できません。

南方科技大学の葛斉教授の研究グループは、高解像度のDLP 3Dプリンティングに適した、高い機械的性能を持つ共有結合適応型ネットワーク形状記憶ポリマー（MRC-SMP）を開発し、完全に再構成可能で、高い破壊ひずみと高精度の4Dプリンティングを実現しました。

MRC-SMP は、プログラミング温度と再構成温度の両方で高い変形性を示し (それぞれ破壊ひずみ 1640% と 1471%)、大きな変形下で MRC-SMP を複数回再プログラミングおよび構成することができます (図 1a)。 MRC-SMP は印刷性に優れているため (粘度: 0.2 Pa·s、ゲル化時間: 100μm あたり 4.5 秒)、高精度 DLP プリンター MRC Precision microArch® S240 (精度: 10μm) に適しており、非常に複雑で高精度な再構成可能な形状記憶 3 次元格子構造を印刷できます (図 1b-d)。 MRC-SMP は優れた溶接性も備えているため、別々に印刷された部品を熱処理後に完全な部品に統合することができます (図 1e)。さらに、MRC-SMP はガラス転移温度 Tg (75 °C) が高く、室温弾性率 (1.06 GPa) も高いため、印刷された SMP 構造は室温で一時的な形状を固定し、大きな荷重に耐えることができます (図 1e)。

図 1. MRC-SMP の優れた高機械的特性と印刷性の実証。 a. MEC-SMP サンプルの高引張特性と形状記憶特性の実証。 b. MRC 精密 microArch® S240 で印刷された MRC-SMP 格子構造。 c、直方体MRC-SMP格子構造の大変形と形状記憶サイクリング。 d、円弧状に再構成された MRC-SMP 格子構造の大変形と形状記憶サイクル。 e. SM 固定具、MRC Precision microArch® S240 で印刷された 3 つの MRC-SMP 格子構造を再構成して、印刷された円形ベースに溶接することによって製造された形状記憶固定具。図中のスケールバー: 5mm。
印刷可能な MCR-SMP の優れた再構成可能性と溶接可能性は、形状記憶 3D 構造の製造方法に革命をもたらします。研究チームは、自家製のマルチマテリアル 3D プリンター Multi Mater C1 で平らなミウラ折り紙パターンを印刷し、形状記憶折り紙構造を製造しました (図 2a-c)。 MRC-SMP の優れた変形能力により、印刷された折り紙シートを複数の SM 折り紙構成に再構成することができます (図 2c ～ f)。 MRC-SMP の高 Tg により、3D 折り紙構造は室温で高い剛性を持ち、重い荷重を支えることができます (図 2g～h)。複数の材料と再構成を組み合わせることで、あらゆる構成の 3D 折り紙構造を製造できるようになり、複雑な SMP 折り紙構造の製造時間が大幅に短縮されます (図 2i)。

図 2. 複数の材料で再構成可能な形状記憶折り紙。 ab、マルチマテリアル印刷された再構成可能な SM 折り紙の概略図。 cf、再構成可能な SM 折り紙の複数の構成と SM 動作のデモンストレーション。 g. 再構成された 3D 折り紙が重い物を運んでいる写真。 h. 25°Cでの異なる構成の折り紙構造の圧縮テスト。 i. 異なる製造方法でさまざまな 3D 折り紙構成を製造するのに必要な時間。
研究成果は、国際的に著名な科学誌「サイエンス・アドバンス」に「機械的に堅牢な共有結合適応型ネットワーク形状記憶ポリマーによる再構成可能な4Dプリンティング」として掲載された。南方科技大学の研究助教授（現在は大湾区大学助教授）の李紅庚氏が論文の筆頭著者であり、南方科技大学の葛奇教授が責任著者である。この研究は、中国国家自然科学基金、広東省珠江人材計画、広東省自然科学基金、深セン市科学技術イノベーション委員会の支援を受けて行われました。

論文リンク:
https://doi.org/10.1126/sciadv.adl4387

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