出典: Today's New Materials
3D プリンティング (付加製造) を使用すると、高層ビル、飛行機、ロケット、宇宙基地などの大規模な構造物の建築要素の製造を、人間の介入を必要とせずに自動化できます。しかし、大規模な 3D プリンティングを広く普及させるには、まず材料、プロセス、プリンター、ソフトウェア制御における多くの課題を克服する必要があります。
建物などの大型構造物は世界の材料とエネルギーの消費量の大部分を占めており、従来の製造プロセスは未だ改善されていません。 3D プリンティング、つまり付加製造は、建築や航空を含む多くの業界に革命をもたらしている持続可能かつ破壊的なテクノロジーです。 3D プリンティングでは、デジタル デザイン (環境に優しく、3D オブジェクトに変換して反復処理するのが簡単) を作成し、その後、高速でスマートな付加プロセス (金型を必要とせず、複数の自由度を活用) を実行します。このプロセスは、材料の節約を最大化し、テンプレートや金型の必要性を排除して資源の無駄を減らすように設計されています。しかし、従来の 3D 印刷技術は、主にミクロンからメートル規模の製造に限定されており、多機能印刷を実現できないなど、建物、飛行機、ロケットなどの大規模で複雑な構造物の自動製造を妨げる未解決の問題に直面しています。
2010 年以降、これらの制限を克服するソリューションとして大規模 3D プリント (LS3DP) が登場しました。大規模 3D プリント LS3DP は、上海普陀橋 (中国初の 3D プリントポリマー橋、総プリント長 15.3 メートル)3、成都大橋 (現在世界最長の 3D プリントポリマー橋、総延長 66.8 メートル、プリント長 21.6 メートル)、SCG S&T ビル (中国初の 3D プリント居住・配送可能な 2 階建てビル、高さ 6 メートル)4、COMAC C919 航空機 (3 メートルの 3D プリント翼リブ)、Terran-1 ロケット (高さ 33.5 メートル、胴体の 85% がプリント) など、いくつかの象徴的な建築プロジェクトに成功裏に適用されています。
しかし、大規模 3D プリント (LS3DP) の採用は、その大規模さによって新たな課題、特に精度と効率の間の必要なトレードオフがもたらされるため、まだある程度制限されています。印刷時間を最小限に抑えるために厚い層で印刷する必要があることは、印刷された構造の形状、精度、品質、およびパフォーマンスに悪影響を及ぼします。したがって、大規模 3D プリント LS3DP は、材料、プロセス、プリンター、およびソフトウェア制御から大きな恩恵を受け、大規模 3D プリントの広範な採用を促進します。
01
適切な材料とプロセスの開発
従来の 3D プリントと大規模 3D プリント LS3DP の両方で現在使用されている材料は、従来の製造材料から派生したものです。たとえば、3D プリントされた建物では、セメントベースの材料、ポリマー、金属材料、木材がよく使用されます。金属材料や合金、ポリマー、セラミック、複合材料を含む航空機やロケット部品の 3D プリント。しかし、異なる規模や機能を実現するためには、新しい添加剤の使用、既存の材料の修正、準備生産ラインの自動化などにより、印刷可能な材料の範囲を拡大し、大規模な 3D 印刷 LS3DP に適合させる必要があります。さらに、デジタル材料合成方法として積層造形法を使用するなど、印刷不可能な材料を印刷可能な材料に変換するための新しい材料準備プロセスを開発する必要があります。簡単に言えば、この戦略では、3D プリンター装置を使用して合成材料を直接製造します。このルートには、合成する材料の化学組成と物理的特性を微視的スケールから正確に設計し、合成する材料の高精度な微視的および巨視的 3 次元モデルを作成し、それを印刷可能なプログラムに変換することが含まれます。このアプローチは、従来の製造方法や自然界にある材料で可能な範囲を超える、機能的に傾斜した材料、スマート材料、人工活性材料、さらにはメタマテリアルの作成に有望です。
さらに、3D プリンティングは層ごとに積層していくプロセスであるため、従来の 3D プリンティングによく見られるいくつかの問題 (印刷層間の結合が弱い、材料の欠陥 1、さまざまな異方性 2 など) は、大規模な印刷構造では無視できません。したがって、これらの制限を軽減するための戦略を開発する必要があります。例としては、引張強度の異なる材料の同時印刷、印刷と構造強化の同期、印刷パス設計による構造強化、物理化学的処理による材料の修正などが挙げられます。
大規模 4D 印刷 (LS4DP) など、4 番目の次元が時間依存の変換を指す、より高度なプロセスも開発する必要があります。大規模な 4D プリンティングは、感知、進化、学習、適応、組み立て、記憶の保持、治癒の能力を持つ材料を使用して、制御可能な多機能構造を開発するために使用できます。大規模 4D 印刷 (LS4DP) には、外部刺激に反応する (または印刷された構造の変位のプログラム制御をトリガーする) 制御可能でプログラム可能な応答性および/またはスマートな材料が必要であり、メカニズム モデルを使用して研究することで、必要な変更を正確に予測および制御できます。大規模 4D プリンティング LS4DP では、複数サイクルの変化後に元の状態に効果的に回復できないなど、印刷された構造のサイズに固有の新しい課題も克服する必要があります。それでも、大規模な 4D 印刷技術は、形状、性能、機能が自己制御される高性能構造工学における潜在的な用途を提供します。
02
統合された多機能構造の構築
小規模および通常規模の 3D プリントのほとんどは、単一の材料と単一のプロセスによる印刷に限定されているため、複数の特徴や機能を備えた製品を製造することは困難です。例えば、大型航空機の胴体や建物の壁を印刷することは可能ですが、航空機の機能部品と必要な電子機器を同時に印刷することはできませんし、パイプやケーブルを建物の壁に組み込むこともできません。したがって、理想的には、大規模 3D プリンティング (LS3DP) は、マルチスケール (マクロ、メソ、マイクロ、ナノスケールをカバー)、マルチマテリアル (剛性材料から柔軟な材料までを統合)、マルチプロセス (従来の 3D プリンティングやサブトラクティブ製造などの複数のプロセスを組み合わせたり、それらのプロセスを切り替える) であり、完全に統合された自律的な製造を実現する必要があります。この大規模な 3D 印刷技術の潜在的な応用としては、自己維持型の車両や宇宙の人工生態系、気候耐性、低エネルギー、低炭素、完全にインタラクティブなスマート ビルディングなどが挙げられます。
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サイズの制限を克服する
さまざまなプロセスや材料と互換性のある印刷装置の開発は、さまざまな規模、形状、機能を持つ大規模な構造物を印刷するために不可欠です。大規模 3D プリントに基づく LS3DP プリンターの構築には 2 つのアプローチがあります。 1 つ目はプレファブリケーション 3D プリントです。これは、大きな構造物を適切なサイズのコンポーネントに分割し、それを印刷して信頼性の高いコネクタで組み立てるというものです。 2つ目は、大きな構造を適切な厚さの層に分割し、層ごとに大きな構造を印刷する全体的な3Dプリントです。ただし、大規模な 3D 印刷をどちらのアプローチにも適合させるには、LS3DP プリンターが柔軟性を備え、スケーラブルな印刷範囲を備えている必要があります。
そのため、モジュラーレール適応型拡大3Dプリンター、印刷と同期をサポートして吊り下げ式水平構造を実現する3Dプリンター、モバイル3Dプリンターや工場、水平方向の無制限印刷を実現する3D印刷モバイルロボットチームなど、新しいタイプのプリンターを開発する必要があります。垂直方向では、自己登攀型 3D プリンター、印刷された構造物に取り付けることができる登攀型 3D プリンター、印刷された層を横断できる這い回る 3D 印刷ロボット、およびバイオニック 3D 印刷ロボット 6 の開発により、無制限の印刷を実現できます。
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印刷の精度と効率を向上
印刷を効率的かつ正確に制御し、印刷プロセスの安全性を確保し、最終的な印刷構造が期待される目標と機能を満たすようにするには、期待される目標を印刷プロセス、材料、プリンターと一致させる定量的な印刷制御方程式と関係を開発する必要があります。このプロセスでは、材料の印刷可能性データベースを組み合わせて印刷を制御することも必要です。最後に、大規模 3D プリンティング (LS3DP) では、構造や機能が必要な場所にのみ材料を印刷し7、適切な場所に適切な種類の材料 (最適な比率) を印刷し、独自の機能を持つ独自の構造を印刷する1 ことで、印刷された構造の高性能と汎用性を積極的に確保します。
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極限環境向けの大規模3Dプリント
自動化された大規模 3D プリント LS3DP は、地下や災害後の現場、放棄された原子力施設、水中など、人間のオペレーターにとってリスクの高い極端な環境での緊急のニーズにも応えることができます。さらに、大規模 3D プリント LS3DP は、遠隔地、無人、現地での建設が必要な宇宙探査用の宇宙基地の建設に非常に適しています。しかし、これらのアプリケーションが実現されるまでには、まださまざまな課題を克服する必要があります。現場で建物を建設するためには、工学調査の概要を作成し、必要な天然資源を収集し、材料を準備して印刷するための自動化された機器を開発する必要があることに留意する価値があります。後者の場合、解決策の 1 つは、遠隔操作が可能な軽量の 3D プリント ロボットを使用することです。
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持続可能性の考慮
また、材料設計、原材料の生産と抽出、印刷可能な材料の準備、輸送と配送、製品の印刷と製造、製品の使用、メンテナンスと修理、リサイクルと再利用など、材料のライフサイクル全体にわたって材料の持続可能な使用を考慮する必要があります。新しい素材の開発に加えて、生活や生産で発生する大量の廃棄物（産業廃棄物、建設廃棄物、家庭廃棄物、農業廃棄物）を印刷可能な素材に変換することで、持続可能な方法で資源を最大限に活用できるようになります。計算的に最適化されたデジタル設計（例えば、ミクロからマクロの構造スケールまでのトポロジー最適化につながる）と高度に最適化された構造も、材料の使用量を削減し、材料資源の節約を最大化するために使用できます7。マイクロスケールとマクロスケールの両方で同時に設計と印刷を行うことで、従来の方法10で得られた構造と比較して、エネルギー節約とCO2排出量削減7の点で性能が向上した効率的で多機能な構造9を作成できます。このような効率的な構造には、トポロジカル構造、セルラー構造、生体模倣構造などがあり、より環境に優しく、軽量で高性能です（高強度対重量比、高耐熱性、高信頼性などのさまざまな特性の組み合わせによる）。
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将来に向けて
材料、プロセス、プリンター、ソフトウェア制御の継続的な進歩により、大規模 3D プリンティング LS3DP は、従来の 3D プリンティングで遭遇したサイズ制限を打ち破り、あらゆる形状の大規模構造物の完全自動かつ無人構築を実現することが期待されています (図 1)。この大規模な 3D プリント方式では、内部の多機能部品と配線を同時に印刷することで、統合製造も実現できます。このようなシステムはより安全で、より効率的で、よりスマートで、より環境に優しく、これまで実現できなかった機能と性能を備えた印刷構造を提供し、地球資源の消費を大幅に削減します。大規模な3Dプリンティングと人工知能を組み合わせることで、分散型製造が促進されると考えられます。次世代の大規模 3D プリンティングである LS3DP は、クラウドによって制御される信頼性が高くフォールト トレラントな 3D プリンティング デジタル ツインを通じて、リモートでの共同管理と印刷を実現します。このグローバル クラウド プラットフォームを通じて、消費者は 3D プリント サービス プロバイダーと通信できるだけでなく、カスタマイズされた製品を設計および構築したり、3D プリント モデルを処理したり、処理されたファイルをクラウド ターミナルに転送したり、パラメータを設定したり、印刷をリモートで制御したりすることもできます。
図 1: 大規模 3D プリントの概要と将来。大規模 4D プリンティング (LS3DP) の広範な導入は、プロセス、材料、プリンター、ソフトウェア制御の革新に依存します。大規模 3D プリント LS3DP は、建物、ロケット、さらには宇宙基地などの大規模で複雑な構造物の自動製造に使用される可能性があります。
参考文献
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4. 陳S.とZuo Z. 上海建設グループは、中国初のオンサイト3Dプリントによる居住・配送可能な2階建ての建物を建設しました。これは国家重点研究開発プログラム実証プロジェクトです。上海建設グループ
https://mp.weixin.qq.com/s/7jGrrEZMYm0dD0k3iuoCRA (2022).
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文献リンク
Zuo, Z., De Corte, W., Huang, Y. 他「大規模 3D プリントの普及を推進」Nat Rev Mater (2023)。
https://doi.org/10.1038/s41578-023-00626-1
https://www.nature.com/articles/s41578-023-00626-1
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