4D プリンティングが研究室の枠を超えて実際の応用が可能になるのはいつでしょうか?

研究者たちは、4D プリンティング技術が医療、自動車、航空宇宙、消費者産業で大きな応用可能性を秘めていると予測しています。では、4D プリンティングとは何でしょうか。現在の状況はどうなっているのでしょうか。そして、実際に応用できるのはいつになるのでしょうか。

グーテンベルクの印刷機はテキストの複製方法に革命をもたらし、二次元印刷を世界にもたらし、情報へのアクセス性を大幅に向上させました。最初の印刷機から今日のインクジェットやレーザージェット技術に至るまで、印刷は私たちの社会の日常業務に欠かせないものとなり、現在、新たな次元が生まれています。グーテンベルクの時代から数世紀後、ハルとクランプはそれぞれステレオリソグラフィー (SLA) と熱溶解積層法 (FDM) を発明し、印刷機能に 3 次元を追加して 3 次元印刷を導入しました。このプロセスは現在「3D 印刷」として知られています。今日、4D 印刷には時間という別の次元が含まれています。

△幾何学的に複雑な物体の成長（成長時間：60分）

では、4D プリンティングとは何でしょうか?成功するにはどのようなハードウェア、ソフトウェア、材料が必要ですか?南極のクマが謎を解き明かします:

付加製造の次元

3Dプリント

「3D プリンティング」という用語は、ASTM が認定した次の 7 つの技術の総称です。
● 光造形法 ● 熱溶解積層法 ● 堆積エネルギー堆積法 ● 粉末床溶融結合法 ● 材料噴射法 ● バインダー噴射法 ● シート積層法

これらの広範なカテゴリにはそれぞれ複数のコンテンツが含まれています。たとえば、ASTM の定義によれば、SLA は「バット光重合」カテゴリに含まれますが、FDM (およびそのブランド化されていないフィラメント溶融製造、または FFF) は「材料押し出し」技術と見なされます。さらに、PBF カテゴリには、直接金属レーザー焼結 (DMLS)、電子ビーム溶融 (EBM)、選択的熱焼結 (SHS)、選択的レーザー溶融 (SLM)、選択的レーザー焼結 (SLS) などのプロセスが充実しています。

4Dプリント

4D プリンティングは、上記の定義に当てはまらないまったく新しいカテゴリです。 4D プリンティングは、その前身である付加製造技術を基盤としており、プリンターから出力される部品は設計に基づいて時間の経過とともに変化します。「時間」の次元は、時間の経過とともにさまざまな要素が変化を引き起こす可能性があるため、緩く定義されています。熱、光、湿気、磁石、物理的ストレス、またはその他の要素により、印刷された部品の構造が変化し、さまざまな条件に応じて形状や形式が変化する可能性があります。

4D プリントされたオブジェクトは変形を考慮して設計されています。たとえば、プログラム可能な高度な材料は、展開、拡張、収縮、自己修復、自己組織化、回路の開閉、あるいは特定の刺激への適応などを行うことができます。

柔軟なサイズ変更<br /> 4D プリントされたオブジェクトは形状が変化するように設計されているため、計画的かつ制御された方法でさまざまな環境や刺激に適応します。部品のこの柔軟性には、慎重な設計思考と、計算による折り畳み、形状記憶材料、およびアプリケーション要件の基礎の明確な理解が必要です。 4D プリントを機能させるには、製造プロセスのすべてのステップを磨き、調整する必要があります。

△2014 年に MIT、Stratasys、Autodesk が共同で行った研究で、4D プリントされた平面デザインが水と接触すると八面体を形成しました。

材料 4D プリントの適応性要件を考慮すると、これらのプロセスではスマートマテリアルの使用が必要になります。 4Dプリンティングの分野で最も重要な材料は形状記憶材料です。本質的に、これらの材料は元の形状を「記憶」しており、外部条件に応じて形状が変更された後、元の形状に戻ることができます。

技術的な観点から、Materials Today の 2010 年の論文 (https://doi.org/10.1016/S1369-7021(10)70128-0) では次のように説明されています。「形状記憶材料 (SMM) は、特定の刺激を加えると、大きく塑性変形したように見える形状から元の形状を回復する能力を特徴としており、これは形状記憶効果 (SME) として知られています。超弾性 (合金) または粘弾性 (ポリマー) も、特定の条件下では一般的に観察されます。SME は、航空宇宙工学 (展開構造や変形翼など) から医療機器 (ステントやフィルターなど) に至るまで、多くの分野で応用されています。」

形状記憶効果はポリマー、金属、セラミック、バイオベースの材料に存在するため、さまざまな用途に適しています。過去 10 年間で、積層造形プロセスはより具体的に適応されるようになり、4D 印刷のコンセプトが広く使用されるように最初に導入されたのは MIT の研究によるものでした。

2023年11月にResearch誌に掲載された、4Dプリンティングの用途に焦点を当てた最近の論文（DOI: 10.34133/research.0234）は、次のように始まります。「形状記憶ポリマー（SMP）とその複合材料（SMPC）は、外部刺激を受けて安定的に変形し、元の形状に戻ることができるスマート材料であり、形状記憶性を備えています。4Dプリンティング技術は、4次元として時間を追加することで、迅速に「生きた」適応構造を開発し、さまざまな分野に成長の機会をもたらします。」

これらの材料の安定した変形と予測可能な再構成は、それ自体が科学です。 MIT で始まり、過去 10 年間に世界中で継続している開発では、これらの SMM と付加製造プロセスを組み合わせて、特定の 3D プリンターのビルドボリュームよりも大きい部品を製造できるだけでなく、適切なエンドツーエンドの機器スイートと組み合わせることで、短期的にも長期的にもさまざまなアプリケーションで使用できる部品を製造できるようになりました。

もちろん、ハイドロゲル、マルチマテリアル、液晶エラストマー、金属、セラミック、食用材料など、他の材料も使用・開発されており、4Dプリンティングの分野も進化しています。

ソフトウェア

△4Dプリンティング：食品印刷の新しい方法；応用食品研究における「4Dプリント食品の特性に対するさまざまな刺激の影響」

プログラム可能な形状変更機能を実現するには、設計された部品が簡単にプログラムできる必要があります。これにより、オブジェクトの設計、シミュレーション、プログラミングを行う 4D プリント用のソフトウェアコンポーネントが導入され、ドラフトプランを実現可能なコンポーネントに変換できるようになります。最終的に希望するパーツは、展開して表面積を大きくしたり、硬化または軟化したり、色が変わったりと、さまざまな動作をするため、プログラミングは正確でなければなりません。たとえば、コンピュテーショナルデザインは、3D プリンターが単一の部品として印刷できるよりも大きな形状のオブジェクトを生成できるようにする科学です。

上の図に示すように、食品 4D 印刷に関する包括的な調査では、プロセスのソフトウェアフェーズについて次のように説明しています。「効果的なソフトウェアソリューションは、目的の製品の製造を可能にするため、4D 印刷において重要な要素です。4D モデルの設計と印刷のプロセスでは、さまざまなソフトウェアソリューションと管理ソフトウェアソリューションが使用されます。シミュレーション、モデリング、スライサー、ホスト/ファームウェア、監視、印刷管理ソフトウェアの 5 つの段階ごとに 1 つのソリューションが含まれます。」

これら 5 つの段階は、あらゆる種類の積層造形において共通ですが、特に 4D プリンティングにおいては重要な役割を果たします。シミュレーションにより、部品を表すデジタルツインが予想される刺激パラメータに応答し、生産前に印刷する前に予想される実際のパフォーマンスを示すことができます。

ハードウェア
4D プリントの「魔法」は、主にスマートな材料と、設計にプログラムされた特定のデザインにあります。あらゆる付加製造（3D または 4D 印刷）には適切なハードウェアが必要です。良いニュースとしては、4D プリンティングは、特定の 4D デザインに必要なスマートマテリアルを処理できる基本的にすべての 3D プリンターと互換性があるということです。材料押し出し (FFF、FDM) およびバット光重合 (SLA、DLP、LCD) 3D プリンターは、今日の 4D プリンティングで最も一般的に使用されているプリンターです。「基本的に、どの 3D プリンターと 3D 印刷プロセスも 4D 印刷に使用できます。

応用

△1840年にクリスチャン・アルブレヒト・イェンゼンが描いたカール・フリードリヒ・ガウスの肖像画。研究者たちは人工知能アルゴリズムを使用して3D表面を生成した。格子の異なる層のリブは、ガウス面の曲線を反映して、温度変化に応じて拡大および縮小するようにプログラムされています。

4D プリンティングの対象アプリケーションは、一般的に 3D プリンティングの対象アプリケーションと同じであり、3 次元の制限を超えています。 3D プリントを知らない人が 4D に移行することは想像しにくいです。現在まで、ほとんどの 4D 印刷アプリケーションは概念実証の段階に留まっており、研究室の外に出たことはありません。

4D プリンティングがますます注目と関心を集めているアプリケーションには、次のようなものがあります。
● 自己修復・自己組織化オブジェクト ● ソフトロボティクス ● フレキシブルエレクトロニクス ● センサー ● スマートテキスタイル ● 航空宇宙 ● バイオプリンティング ● 創傷治癒 ● 食品

4D プリントが普及しつつある<br /> 4D プリンティングは、今日の最も先進的な製造手段の 1 つとして、厳しい監視と研究開発投資を受けています。自己変化する部品や製品を生産する能力により、4Dプリンティングの台頭が期待できます。しかし、 4D プリンティングがいつ、どのように、そして一般的に研究開発ラボの外に出ていくのかは、まだほとんどわかっていません。特に、より大規模な生産能力を備えた商品化に関しては、4D プリンティングがコストと利益のバランスを達成するまでには、まだ長い道のりがあります。私たちは複雑な世界に住んでいます。今日の問題に対するハイテクソリューションは需要があり、開発され、実現されつつあります。 4D プリンティングは、これらの機会を捉えるための高度な製造に新たな次元を提供します。

4D プリンティングが研究室の枠を超えて実際の応用が可能になるのはいつでしょうか?

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