3Dプリント素材にも「三原色」はあるのでしょうか？特定の材料特性を作り出すことができる

2024 年 1 月、Antarctic Bear は、コロラド大学ボルダー校の研究者がインクジェット積層造形における材料特性を決定するための新しいプロセスを開発したことを知りました。研究者のロバート・マッカーディ氏とローレンス・スミス氏によって「特性のパントン」と名付けられたこれらの研究結果は、マルチマテリアルインクジェット3Dプリントが、異なる樹脂材料を組み合わせることで特定の材料特性を作り出すことができる仕組みを概説しています。この研究は、「付加製造によるデジタル多相複合材料」というタイトルで「Advanced Materials」誌に掲載されました。

異なる原色を混ぜて特定の色を作成するのと同様に、研究者は、3 つの「主要な」材料を混ぜることで、再現性のある 3D 印刷材料特性を実現する方法を実証しました。これらの材料には、軟質エラストマー、硬質プラスチック、液体成分が含まれます。

この研究のために、研究者らはカスタムソフトウェアを使用して何百ものデジタル合成サンプルを設計した。 3D プリント後、サンプルの機械的特性をテストし、特性を評価しました。次に、複合材料の組成と機械的特性を比較する分析プロットが作成され、「リバース材料設計」が可能になります。

このプロセスは、従来の材料選択プロセスを逆転させます。通常、エンジニアは、望ましい材料特性を持つ適切な材料を探し、その材料に基づいて設計します。代わりに、新しいアプローチでは、一連の望ましい材料特性を指定した後で部品を 3D プリントできるようになります。著者らによると、この研究は、異なる機械的特性を持つ3種類のインクジェット材料から作られたデジタル材料複合体の特性を明らかにした初めての研究だという。これまでの研究では、2 つの材料の複合材料のみが評価されており、「機械的な現実性には欠けている」。

このプロセスの潜在的な用途は多岐にわたります。研究者らは、機械的に実現可能な合成生物組織の 3D プリントを潜在的な使用例として強調しています。逆材料設計法を使用すると、ユーザーは、生物組織を正確に模倣するために必要な剛性と靭性の任意の組み合わせを持つ材料を設計し、3D プリントできます。

△実験結果、色は流体の体積分率を示します。これらの複合材料は、生体材料と同様の弾性率-靭性空間の領域を占めている。

3D プリント材料特性の「パントンカラーカード」

マルチマテリアルインクジェット 3D プリンターはフォトポリマー樹脂の液滴を噴射し、それを UV 光源で硬化させて 3D オブジェクトを形成します。 3D プリンターメーカー Stratasys の Agilus および Vero インクジェット 3D プリント樹脂は、硬化後の特性が異なります。 Agilus は強靭でありながら柔軟なエラストマー材料となり、Vero は硬質プラスチックを形成します。 2 つの材料を異なる割合で組み合わせることで、異なる特性を持つ複合材料を形成できます。ただし、これらの組み合わせによるパフォーマンスの可能性は限られています。

材料特性の自由度を高めるために、コロラド大学の研究者は複合材設計プロセスに第 3 の液体材料を追加しました。研究中、110 種類の独自の複合製剤に対して 188 件のテストが実施されました。研究者らは、3Dプリント部品を使用した実験観察と検証を通じて、 3つの基板を組み合わせることで、弾性や靭性などの機械的特性を独立して決定できることを示しました。

研究者らはパンチテストを使用して機械試験を実施し、3Dプリントされたサンプルの押し込み距離と力を記録し、材料が破損した時点で試験を終了した。

△指定剛性の試験サンプル

テスト結果では、弾性係数と靭性特性が分離されており、3D 印刷プロセス中に個別に指定できることが強調されています。さらに重要なことに、この研究では、このアプローチを使用すると、任意の 2 つの材料特性を切り離すことができるという結論が出されました。これは、複合設計プロセス中に 3 番目の液体ベースの材料を追加することで実現されます。研究者らはまた、ミクロスケールの複合材料構成とマクロスケールの材料特性との間のマッピングを作成することにより、特定の特性を持つ 3D プリントオブジェクトの逆設計を実証しました。

研究者らは、分析モデルと数式を通じてこれらのマップを使用し、エラストマー、硬質材料、液体樹脂を組み合わせたさまざまなインクジェット複合材料の機械的特性を正確に推定することに成功しました。最終的に、研究者たちはこれらの発見が医療への応用に大きな可能性を秘めていると考えています。

現在の方法を使用すると、研究者は生物組織を反映する正確な材料特性を得るのに苦労してきました。この研究の結果、材料の剛性と靭性を同時に、また独立して変更できるようになり、研究者、設計者、医療従事者がリアルで機械的に説得力のある合成生物組織を 3D プリントできるようになると言われています。

△インクジェット複合材料の多相成分の分布を構築することで、4桁の硬度を達成できる

インクジェット3Dプリンティング研究
マッカーディ氏とローレンス氏の研究は、医療用途におけるマルチマテリアルインクジェット 3D 印刷の可能性を探る最初の研究ではありません。 MITメディアラボ、ハーバード大学のワイス研究所、ダナ・ファーバーがん研究所の研究者らは、ハイブリッド生体材料を3Dプリントする方法を開発した。チームはハイブリッドアクティブマテリアル (HLM) 製造プラットフォームと呼ばれる、マルチマテリアルインクジェット 3D プリントとカスタマイズされた材料配合を使用して、樹脂と化学信号を組み合わせます。これらの信号はバイオエンジニアリングされた微生物の反応を活性化し、治療薬を備えた医療機器の可能性をもたらします。

この研究では、研究者らは適切な支持樹脂と構造樹脂材料を組み合わせて、生物の行動を制御するための化学信号を吸収して保持する 3D プリント部品を作成しました。 HLM プラットフォームは、異なる特性を持つ 3 ～ 7 種類の樹脂を、合成バイオマテリアルと一定の比率で混合して利用できます。

マルティン・ルター大学ハレ・ヴィッテンベルク校のチームは、押し出しとインクジェット 3D 印刷を組み合わせたハイブリッド付加製造プロセスを開発しました。このアプローチにより、液体インクを固体材料マトリックスに直接統合できるようになります。重要な用途の 1 つは、初期の製造段階で 3D プリントされた薬物送達デバイスに有効な医薬品成分を統合することです。

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