Vitro3D: 高次元ボリューム3Dプリント、サポートフリー、高粘度樹脂材料の印刷が可能

2023年11月、海外メディアがVitro3DのCEO兼共同創設者であるカミラ・ウズカテギ氏にインタビューした。体積型3Dプリンティングの現在の開発状況と課題を紹介しました。 Vitro3D の立体 3D プリントについて詳しく知るには、Antarctic Bear をフォローしてください。

△ Vitro3Dによる立体3Dプリント

Camila Uzcategui 氏は Vitro3D の CEO 兼共同創設者です。ウズカテギ氏は、3Dプリントの応用に焦点を当てた材料科学と工学の博士号を取得し、2021年に論文を完成させました。彼の論文は、組織工学と再生のための 3D プリント材料の特性評価に焦点を当て、樹脂を理解することで 3D プリント構造の品質を正確に予測することに重点が置かれていました。「樹脂を正確に特性評価できれば、こうした特定の種類の組織の機械的特性によりよく適合させることができます」とウズカテギ氏は語った。1年前の2022年11月、コロラド大学ボルダー校のインキュベーション企業であるVitro3Dは、体積3Dプリント技術の商業化を推進するコロラド生命科学インキュベーションプログラムから130万ドルのシード資金を調達した。

△Vitro3D研究室でHD-VAMシステムの試作中

先駆的な体積付加製造：Vitro3D の業界関連ソリューションへの戦略的シフト

体積付加製造は、先進的な製造技術の新興かつ有望な分野であり、ウズカテギ氏の博士研究は従来の層ごとの 3D 印刷に焦点が当てられていたが、体積付加製造の探究は博士研究員時代に行われた。ウズカテギ氏は、支持構造や高粘度樹脂の取り扱いを必要としない従来の3D印刷方法に比べて、体積測定技術の利点を強調した。

戦略的ビジョンの点では、Vitro3D は、組織工学の「大きな夢」を実現するには 5 年から 10 年かかる長期的な取り組みになることを認識しつつ、この技術からすぐに恩恵を受けられる医療以外の業界を積極的に探しています。 Vitro3D は現在、体積測定技術が短期的に大きな影響を与える可能性がある電子機器や歯科などの業界に注目しています。この実際的なアプローチは、同社が「5年間収益がないまま資金を調達する」のではなく、組織工学と再生に革命を起こすという最終目標に近づく、収益を生み出す意義のある事業に従事することを確実にするように設計されています。

△工業プロセスとしてのVitro3Dは、独立したプロセスまたは統合されたプロセスになることができます

3D積層造形の複雑さ

ウズカテギ氏は、立体3Dプリンティングはさまざまな角度で光を操作して仮想モデルから3D立体を作成するものだと述べた。アルゴリズムは最も重要な部分であり、3D 仮想オブジェクトを取得してさまざまな角度に分割し、それを再投影して樹脂で 3D オブジェクトを作成します。これらはすべて、投影された画像を生成する複雑なアルゴリズムに基づいています。樹脂が重合に必要な正確な量の光を受け取るようにするには、材料特性と樹脂の光に対する反応を考慮することが重要であり、ソフトウェアはおそらくこの機能を実現するための鍵となります。

このメカニズムをさらに調査した結果、Uzcategui 氏は、Vitro3D が、従来の 3 次元ではなく 4 次元の情報を材料に入力するために変換された 2D 光円錐を使用する新しい高次元体積付加製造 (HD VAM) 方法を発明したと述べました。回転と 2 次元画像を通じて 3 次元の情報を入力するだけでなく、2 次元光円錐の X と Y および平行移動を通じて 4 次元の情報を入力するため、高次元 VAM と呼ばれます。

ボリューム全体を投影するには、光源 (通常はレーザー) からの長い焦点距離で高品質の光を維持することが不可欠です。「焦点深度をできるだけ大きくしたいのですが、まずは 3 センチメートルから始めたいと思います」とウズカテギ氏は述べました。体積 3D 印刷の深度次元の制限に対処するために、ウズカテギ氏は HD VAM 方式で次元を切り離し、X と Y の次元を大きくしながらも深度次元を小さく保つ方法についても説明しました。 Vitro3D のアプローチは、より幅広い産業用途を対象としています。

△ 工業規模でパーソナライズされた部品を製造するための Vitro3D システムのレンダリング

体積付加製造：より大きなサイズと材料の多様性の追求

同社は、自社の技術で可能な最大印刷サイズを決定するために継続的に取り組んでおり、現在の最大印刷サイズは直径8センチメートルである。 HD-VAM プロセスを既存の生産ラインにシームレスに統合することで、現場での大規模な積層造形という新しい時代の到来が期待されます。この取り組みの中心にあるのは、ウズカテギ氏が技術の背後にある「魔法」と表現する独自のアルゴリズムであり、印刷プロセスを開始する前にそれを再現し、必要な場所でのみ樹脂が重合することを保証します。「アルゴリズムは、材料、光学、機械に関する情報を受け取り、印刷プロセスをシミュレートします」とウズカテギ氏は説明します。

体積 3D プリントの大きな利点は、従来のレイヤーごとのシステムでは課題であった高粘度樹脂を処理できることです。標準的なシステムでは、特に高粘度樹脂の場合、層補充のための樹脂フローに時間がかかります。しかし、Vitro3D のテクノロジーでは、印刷プロセス中に樹脂の流れがないため、この障害を回避できます。

Vitro3Dは3Dプリントにおける新たな材料の課題に取り組みます

電子部品やコネクタの製造に使用される高粘度樹脂は、従来の 3D プリンターにとって粘度の課題となります。既存の層ごとの印刷技術では、このような材料を処理する際に大きな制限があり、さらに歯科分野におけるナノゲルの応用には粘度の課題もあります。ナノゲルの充填量が増えると粘度が増加するため、ナノゲルを効果的に処理するには革新的な処理方法が必要になります。

Vitro3D の HD-VAM テクノロジーは、一部のレイヤーごとのプリンターで必要とされる追加の加熱プロセスを必要とせずに、革新的でありながらも扱いが難しいこれらの材料を処理するのに最適な有望なソリューションです。この利点は、印刷プロセス自体に反映されるだけでなく (ボリューム印刷ではオブジェクトが同時に実現されます)、後処理段階にも拡張されます。

「部品が瞬時に実現し、ユーザーが層ごとに印刷する必要がないため、速度面で大きな利点があります。層ごとに印刷すると、各部品の速度が大幅に低下します」と Uzcategui 氏は説明します。この速度の向上は、市場投入までの時間を短縮する重要な要素である生産スケジュールに直接影響するため、非常に重要です。さらに、彼は後処理の重要な側面について詳しく説明し、体積型 3D 印刷ではサポート構造がないため、印刷後のクリーンアップにかかる時間を大幅に短縮できることを強調しています。

ウズカテギ氏はまた、部品の品質と再現性を確保する上で重要な点に触れ、「当社の大きな焦点は、印刷だけでなく材料特性自体の面でも、より信頼性の高い部品を得るために後処理を自動化することです」と述べました。Vitro3D のアプローチは、印刷プロセスを高速化するだけでなく、後処理を簡素化し、工業生産のニーズを徹底的に理解していることを反映しています。

体積付加製造のコスト効率: Vitro3D のソフトウェア中心のアプローチ

Vitro3D は、高価なハードウェアではなくスマートなソフトウェアに重点を置いた、コスト効率の高い 3D プリントのアプローチを提供する態勢を整えています。 Uzcategui 氏は、最大 100 万ドルかかることもある一部の 3D 印刷システムとは異なり、同社のシステムでは、従来のレイヤーごとの 3D プリンターで使用されるものと同様の標準的なハードウェアコンポーネントを使用していると説明しています。違いは、体積 3D 印刷プロセスを駆動できる独自のアルゴリズムにあります。

このソフトウェア中心のアプローチにより、ハードウェアコストを抑制できるだけでなく、顧客のニーズに合わせてカスタマイズされたハードウェアソリューションの開発も可能になります。ウズカテギ氏は次のように付け加えた。「オープンレジンシステムにより、Vitro3D によって認定され、アルゴリズムの材料ライブラリに追加されている限り、お客様は独自の材料を HD-VAM システムで使用できるようになると考えています。」

立体3Dプリントの課題と展望

体積 3D プリンティングは、初期段階では、特にサイズと解像度に関して固有の制限があります。しかし、Uzcategui 氏は、これらの制限にもかかわらず、HD-VAM 体積 3D 印刷プロセスは、現在レイヤーごとの 3D 印刷では達成できない特定の業界の大きな課題を解決する可能性を秘めていると考えています。

ウズカテギ氏は、PFASやPFOAなどの「永遠の化学物質」の使用に対するヨーロッパでの規制が強まっており、近いうちに世界標準になると予想されることを強調した。「高粘度樹脂は一般的に強度の点で材料特性が優れているため、体積測定3Dプリントはこうした化学物質の代替品を作成するための選択肢となり得る」と同氏は述べた。

体積 3D プリンティングは、高価値、多品種、少量の部品を作成できるという点で優れています。ウズカテギ氏はこれを、新しい技術を迅速に反復するための道筋と見ています。樹脂が絶えず移動し、収縮する渦の中で正確な材料挙動を確保することは複雑であり、光と材料の相互作用に対する深い理解と細心の注意を払った制御が必要です。ウズカテギ氏は、材料が光とどのように相互作用するかを理解するために多額の投資を行ってきたカーボン社のような企業の成功を指摘し、体積付加製造におけるこの相互作用の重要性を強調した。

Vitro3D は商業化を視野に入れ、2024 年に初のオフサイトシステムを導入する予定であり、2024 年後半に予定されているパイロットプログラムについて早期導入者と協議中です。このスタートアップの商業化の取り組みは、業界関係者と協力して特定の製造上の課題に対するソリューションを開発するという協力精神に基づいています。新興のスタートアップ企業である Vitro3D は、カスタマイズされたアプローチによって競争の激しい市場で差別化を図ることができると確信しており、産業技術における破壊的な力となり、顧客の課題を正確に満たすという目標に近づいています。

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