3D プリンティング研究のブレークスルー: 2023 年の Science と Nature に掲載される 10 件の記事

3D プリンティングは、複雑な 3 次元材料構造を効率的に作成することができ、医療、電子機器、ロボット工学、航空宇宙など、多くの分野で大きな応用可能性を示しています。印刷材料、印刷技術（速度、精度）など多くの進歩がありました。

雑誌「ネイチャー」と「サイエンス」は、学界で高い評価を得ている国際的な総合科学週刊誌です。科学界における多くの重大な発見、重要なブレークスルー、科学研究成果を掲載しています。3Dプリントは近年人気の技術であり、多くの研究チームがそれに関する多くの科学研究成果を発表しています。Antarctic Bearは2023年号で関連記事を10本まとめました。

1. 科学: 深浸透音響ボリュームプリンティング (DAVP) - 粘弾性インクと高強度焦点式超音波を使用

ハーバード大学医学部とデューク大学生体医工学部の研究チームは、粘弾性インクと高強度焦点式超音波を使用する「Deep Penetration Acoustic Volume Printing (DVAP)」と呼ばれる新しい3D印刷方法を開発しました。関連する研究結果は、「自己強化ソノインクが深部浸透音響体積印刷を可能にする」というタイトルで『サイエンス』誌に掲載されました。

ボリュームプリントは、印刷速度と表面品質を向上させることができる新しい付加製造技術です。既存の体積印刷技術は、感光性材料の光重合反応を引き起こすためにほぼ完全に光エネルギーに依存しているため、材料の選択と構築サイズが制限されています。

この研究では、自己強化型音響インク（またはソニックインク）設計と、深浸透音響ボリュームプリンティング（DAVP）用の対応する集束超音波書き込み技術を使用して、実験と音響モデリングにより、周波数とスキャン速度に依存する音響プリンティングの動作を調査します。 DAVP は、低音響流、高速超音波熱重合、および深い印刷深度という重要な機能を実現し、さまざまな形状の体積ハイドロゲルとナノ複合材料の印刷を可能にします。 DAVP は生物組織のセンチメートルの深さでの印刷も可能にし、低侵襲医療への道を開きます。

全文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1563

2. 科学: ナノ材料の3Dプリントのための新しい汎用的な方法

清華大学化学部の張浩准教授、李景紅院士、精密機器部の林林漢准教授、孫紅波教授は、3D Pinと呼ばれるナノ材料の3Dプリントの汎用的な新手法を共同で開発しました。感光性ナイトレン小分子を導入することで、さまざまな無機ナノ材料（半導体、金属、酸化物ナノ材料）のナノスケール3Dプリントを実現しました。この構造は無機成分の割合が高く、優れた機械的特性と調整可能な光学特性を備えています。関連する研究結果は、「コロイドナノ結晶の光化学的結合による無機ナノ材料の3Dプリント」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました。

3D Pin の動作原理: コロイドナノ結晶は内部の無機成分と表面リガンドで構成されており、その中でリガンドは立体障害または電荷反発を通じて溶液中のナノ結晶のコロイド安定性を維持する上で重要な役割を果たします。 3D Pinは光化学的方法を使用して、少量の小さなジアジド分子をコロイドナノ結晶溶液に加え、光を使用してナイトレン生成と有機リガンド間の非特異的CH挿入反応をトリガーし、ナノ結晶間の強力な共有結合接続を実現します。光源が溶液中を移動すると、ナノ結晶は拡散・凝集・結合のプロセスを経て複雑な三次元構造を形成します。アジド分子は特定の帯域で紫外線を吸収し、対応する紫外線の単一光子吸収プロセスと長波二光子吸収プロセスを通じて、異なる解像度の印刷を実現できます。FTIRとXPSにより反応メカニズムが確認されました。この非特異的な反応メカニズムは、この方法がさまざまな種類のコロイドナノ結晶に普遍的に適用できることを意味します。

全文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681

3. 「科学」：石英ガラスの 3D 印刷プロセス、焼結は不要！

ドイツのカールスルーエ工科大学とカリフォルニア州立大学の研究者らは、2光子重合技術を使用して焼結なしで自由形状の溶融シリカナノ構造を印刷できる新しい石英ガラス3D印刷プロセスを開発し、3D印刷分野で大きな話題を呼んでいる。彼らの研究は、「焼結不要、低温でナノスケールの光学グレードガラスを3Dプリントする方法」というタイトルで『サイエンス』誌に掲載されました。

この技術は、主にアクリレート官能化多面体オリゴシロキサン（POSS）樹脂を使用して、焼結のない2光子重合を自由形状の溶融シリカナノ構造に対して実行し、ナノ構造の印刷を実現します。従来の犠牲接着剤とは異なり、この POSS 樹脂自体がシリコン酸素分子の連続ネットワークを形成し、わずか 650°C で透明な溶融石英を形成できます。この温度は、個別のシリカ粒子を連続体に融合するために必要な焼結温度よりも 500°C 低くなります。

△溶融石英構造の顕微鏡写真

ガラスの 3D 印刷のためのこの新しいプロセスは、ハイテクアプリケーション、フォトニクス、マイクロオプティクスに多くの興味深く将来を見据えた可能性をもたらします。 POSS ガラス TPP 3D 印刷ルートは、シリカガラスの自由形状製造のパラダイムを再定義し、この分野を支配している粒子ベースのアプローチの基本的な制限を克服するのに役立つ可能性があります。

●この研究の重要な革新は、粒子を充填したバインダーとは対照的に、シリコン酸素分子の連続ネットワークに重合する POSS 樹脂の開発にあります。したがって、この材料は、個別のシリカ粒子を連続体に焼結するために必要な極端な温度を回避し、わずか 650°C で溶融シリカに変換されます。

● TPP法をベースに、温度を約500℃下げることで、銀、銅、金、アルミニウムなどマイクロシステム技術に必須の材料の融点以下のシリカガラスの自由形状合成を可能にします。これは、最先端の有機ポリマーから弾性のある光学グレードの溶融シリカまで、透明材料のオンチップ 3D プリントを可能にする画期的な技術です。

●POSSガラスプロセスは、臨界解像度の限界を突破し、可視スペクトルで自由形状シリカナノフォトニックデバイスを実現すると同時に、数百ミクロンの寸法を持つ高アスペクト比構造の製造を可能にします。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037

4. 科学: シリコンの高精度3Dプリント

フロリダ大学の研究者らは、市販されているさまざまなシリコン配合物を使用して、精密で正確、かつ強固で機能的な構造物を製造できるシリコン 3D 印刷技術を開発しました。このレベルの性能を実現するために、研究チームはシリコーンオイルエマルジョンから作られたサポート材料を開発しました。この材料はシリコンベースのインクとの界面張力がごくわずかであるため、印刷されたシリコンの特徴が変形したり壊れたりすることを引き起こす破壊的な力が排除されます。彼らの研究は、「シリコンベースのサポート材料が 3D シリコン印刷における界面不安定性を排除する」というタイトルでトップジャーナルの Science に掲載されました。

研究者たちは、支持材料としてシリコーンオイルの連続相に囲まれた高密度エマルジョンを使用することで、シリコンベースの材料で精密で自立した非常に詳細な物体を 3D プリントすることができました。この技術により、サポート材料と印刷液間の界面張力を正確に制御できます。著者らは、4ミクロンほどの小さな特徴だけでなく、機械的に堅牢で薄壁の正確な人体血管モデルも印刷できることを実証した。

印刷インクとその支持材料間の界面張力は、3D プリントされた構造に破壊的な影響を与える可能性があります。調査結果は、AMULIT テクノロジーの汎用性により、3D アプリケーション用の特殊な PDMS インクを調合する必要がなくなり、従来のシリコン印刷方法が改善されたことを示唆しています。 AMULIT の鍵となるのは、サポートするインクと化学的に類似したサポート材料を配合することです。この場合、PDMS インクは PDMS オイルの連続体に印刷されますが、同じ原理を水性ポリマーにも適用できます。

インクとサポート媒体の化学的性質は十分に類似しているため、2 つの材料を混合しても印刷品質には影響しません。さらに、エマルジョン間の弱い引力相互作用により、界面の反対側で反応が起こる可能性があります。ポリマーシステムの多様性と可用性、および AMULIT サポート材料配合のシンプルさを考慮すると、 AMULIT アプローチはシリコンベースのデバイスを超えて 3D 印刷に応用できるでしょう。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

5. 科学: 3D プリント + 機械学習 -気孔の形成の検出

バージニア大学のタオ・サン氏のチームは、機械学習を使用して熱シグネチャから気孔形成を検出する非常に正確な方法を開発しました。この気孔形成追跡を実装すると、高い気孔率のために失敗する部品の製造を回避できます。高速シンクロトロンX線画像と熱画像をマルチフィジックスシミュレーションと組み合わせて同期させることにより、Ti-6Al-4Vレーザー粉末床溶融中に2種類のキーホール振動が発見されました。この理解は機械学習を通じてさらに深まり、サブミリ秒の時間分解能とほぼ完璧な予測率でランダムな小さな孔生成イベントの検出が実現しました。これは、商用システムへの適用が期待されるシンプルで実用的な戦略です。

関連研究は、2023年1月5日に「レーザー粉末床溶融結合におけるキーホール孔生成の機械学習支援リアルタイム検出」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました。これは、2023年にサイエンス誌に掲載された3Dプリンティングに関する最初の論文でもあります。

△Ti6Al4Vにおけるランダム気孔の形成過程

全文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667

6. 自然：視覚制御噴射（VCJ）技術

MIT、先進的な積層造形ソリューションの先駆者であるInkbit™、およびETHチューリッヒの研究者らは、新しい3Dインクジェット印刷システムを共同で開発し、サブコンポーネントの組み立てを必要とせず、より幅広い材料を使用して、単一の印刷で複雑で多機能なシステムを直接製造するために、ビジョン制御ジェッティング（VCJ）技術をどのように使用できるかを実証しました。同社が使用する Visual JC テクノロジーは、コンピュータービジョンを使用して 3D プリント表面を自動的にスキャンし、各ノズルによって塗布される樹脂の量をリアルタイムで調整して、どの領域にも適切な材料が確実に存在するようにします。この画期的な研究は、2023年11月15日に「複合システムとロボットのための視覚制御噴射」と題する論文としてネイチャー誌に掲載されました。

Inkbit の VCJ テクノロジーは、従来のインクジェット 3D 印刷に由来していますが、各層の印刷された形状をリアルタイムでキャプチャする AI 対応の 3D コンピュータービジョンスキャンシステムを統合することで、まったく新しいレベルに引き上げられています。このデジタル閉ループフィードバック制御操作により、機械的なレベリング装置が不要になり、硬化が遅い化学物質を使用した印刷が可能になり、ポリマー鎖をより正確に構築できるようになります。その結果、VCJ は、さまざまな機械的特性を持つ複雑なマルチマテリアル部品を正確かつ精密に直接印刷できるようになります。

この技術の実用的応用範囲は非常に広いです。 VCJ は、印刷されたコンポーネントの解像度と機能を向上させるだけでなく、信号、電力、または流体を構造を通じて伝送するためのチャネルとキャビティの複雑な内部ネットワークを製造することもできます。 VCJ を使用すると、複雑な物理タスクを大規模に実行できる複雑で多機能なシステムを簡単に製造できるようになりました。 VCJ の機能を実証するために、研究者らは、MRI データに基づいてモデル化された腱駆動型ハンド、空気圧式歩行ロボット、心臓を模倣したポンプ、新しいメタマテリアル構造など、さまざまな複雑なシステムを印刷しました。

全文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3

7. 「自然」：3D プリントされたチタン合金 - α-β Ti-O-Fe 合金、強度、延性、持続性に富む！

香港理工大学の科学者たちは、ロイヤルメルボルン工科大学およびシドニー大学と共同で、3Dプリントを利用して、チタン合金生産における長年にわたる品質と廃棄物管理の問題を解決することに成功した。この研究は「付加製造による強靭で延性のあるチタン・酸素・鉄合金」と題する論文としてネイチャー誌に掲載された。

△陳子斌博士

チタン合金は、多くの重要な用途で不可欠な役割を果たす高度な軽量材料です。研究チームは、チタン合金や将来的には他の金属材料を生産するために積層造形法を革新的に使用すると、コストの削減、性能の向上、持続可能な廃棄物管理など、多くの利点があることを発見しました。研究チームは3Dプリンティングを利用して、強度、延性、持続可能性に優れた新しいタイプのチタン合金（α-β Ti-O-Fe合金）を製造しました。これらの特性は、アルファベータ相チタン合金の最も強力な安定化元素および強化剤である 2 つの安価で豊富な酸素と鉄を添加することによって実現されます。新しいチタン合金は、航空宇宙や海洋工学から民生用電子機器や生体医療機器に至るまで、さまざまな用途で大きな可能性を示しています。

全文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

8. 自然：印刷プロセス中にインクの混合比を変えることで、グラデーション材料を高スループットで印刷する

インディアナ州ノートルダム大学の航空宇宙および機械工学の准教授であるヤンリアン・チャン氏は、単一の印刷ノズルで複数の霧状ナノ材料インクを混合することにより、従来の製造方法では不可能な方法で材料を生成する新しい3D印刷方法を開発した。この研究は「エアロゾルからの組み合わせ材料の高スループット印刷」というタイトルでネイチャー誌に掲載された。

この新しい 3D 印刷プロセスは、ハイスループットコンビナトリアル印刷 (HTCP) と呼ばれ、単一の印刷ノズルで複数の霧化ナノ材料インクを混合することで実現され、印刷プロセス中にインクの混合比を変更できます。 HTCP 法は、印刷された材料の 3D 構造と局所的な構成を制御し、マイクロスケールの空間解像度で勾配のある構成と特性を持つ材料を生成することができます。

全文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

9. 自然：新しい3Dプリント合金は過酷な条件にも耐えられる

NASAとオハイオ州立大学の研究チームは、航空機や宇宙船用のより強くて耐久性のある部品につながる可能性のある高温材料の3Dプリントにおいて画期的な進歩を達成した。関連研究は「極限環境向けに設計された 3D プリント可能な合金」というタイトルで Nature に掲載されました。本論文では、新合金 GRX-810 の特性について詳しく紹介します。 GRX-810 は NASA の「TTT」プロジェクトの一環として開発され、同機関の研究開発プログラムによってサポートされています。

△NASAロゴの3Dプリント。

GRX-810は酸化物分散強化合金です。つまり、合金全体に散在する酸素原子を含む微粒子が合金の強度を高めます。このような合金は、破断点に達するまで厳しい条件に耐えることができるため、航空機やロケットエンジン内部などの高温用途の航空宇宙部品の製造に最適です。現在入手可能な最先端の 3D プリント超合金は、華氏 2,000 度までの温度に耐えることができます。これらと比較すると、GRX-810 は強度が 2 倍、耐久性が 1,000 倍以上、酸化耐性が 2 倍です。

要約すると、研究者らは、既存の AM 合金と比較して、極限環境において優れた性能を発揮する新しい NiCoCr ベースの ODS 合金 GRX-810 の設計、特性、および性質を発表しました。合金設計に計算モデルを使用することで、性能と加工性のバランスが取れた組成が実現し、高度な特性評価によって基礎となる微細構造とメカニズムに関する洞察が得られます。 GRX-810 は、現在使用されている高温合金と比較して 1093°C でのクリープ性能が桁違いに向上しており、過酷な環境における複雑なコンポーネントに AM を使用できるようになります。

全文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

10. 自然：回転式マルチマテリアル 3D 印刷により、既存の印刷詳細が「ボクセル」よりも小さい詳細な構造に拡張される

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院とワイス生物工学研究所の研究者らは、マルチマテリアルと回転要素を組み合わせて3D印刷技術に適用し、3D印刷フィラメントのサブボクセル制御を実現する新しい回転式マルチマテリアル3D印刷プラットフォーム（RM-3DP）を開発しました。この方法は、高忠実度のスパイラル誘電エラストマーアクチュエータの製造に使用され、機能的な人工筋肉の開発を可能にしました。さらに、研究チームは、構造化された螺旋状の支柱を使用して柔軟なフレームワークに硬いバネを埋め込むことで、層状の格子を作製し、生体模倣多機能材料への新たな道を開拓しました。

△ サブボクセル製造

RM-3DP には次の 2 つの特性があると考えられます。
1. 方位角的に不均一なサブボクセル特性を持つマルチマテリアルノズル
2. プリントヘッドには複数の圧力制御インクタンクとノズルフリー回転機能が搭載されています。

RM-3DP の印刷方法は、熱溶解積層法と光硬化法の 2 つのモードを組み合わせたものです。構造的には、FDM のガントリー制御システムが選択され、印刷材料としては、ポリジメチルシロキサン (PDMS) またはその他のオリゴマーを光開始剤および対応する添加剤と混合して粘性のある「インク」を形成し、紫外線で材料を硬化させます。上記の技術により、研究チームは印刷されたフィラメントの内側に垂直または螺旋状のサブ構造を作成し、既存の印刷の詳細を「ボクセル」よりも小さい詳細な構造に拡張することができました。

全文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7

3D プリンティング研究のブレークスルー: 2023 年の Science と Nature に掲載される 10 件の記事

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