3D プリンティング研究のブレークスルー: 2024 年の Science と Nature に掲載される 10 件の記事

2024年が過ぎました。今年、3Dプリント技術は発展の歴史において新たな節目を迎えました。今年の研究の躍進により、3Dプリントは製造業における革命的な力としての地位を固めただけでなく、医学、工学、材料科学などの学際的な分野での応用範囲も拡大しました。世界トップクラスの学術誌である『サイエンス』と『ネイチャー』に掲載された一連の論文には、その年の3Dプリンティング分野における重要な進歩が記録されていました。

Antarctic Bear では、2024 年の刺激的な 3D プリント研究の進歩を振り返り、科学者がこの技術をどのように一歩一歩前進させているかを紹介します。これらの革新を理解することで、3D プリンティングが将来さらに多くの驚きをもたらすことが予測できます。

1. 科学: 3D プリントで多色の発光構造を生成できる

2024年1月16日、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学工学部、ローレンス・バークレー国立研究所の材料科学部門などの研究メンバーが、発光の分野で画期的な進歩を遂げ、3Dプリント技術の助けを借りて発光構造を準備しました。彼らの研究成果は、「ほぼ1のフォトルミネセンスを持つ青と緑のハロゲン化物ペロブスカイトの超分子アセンブリ」というタイトルでScience 誌に掲載されました。

タイトルが示すように、この記事はハロゲン化ペロブスカイト材料の合成と高効率発光ダイオード (LED) への応用に焦点を当てていますが、3D 印刷技術が重要な役割を果たしています。

●研究者は3Dプリント技術を使用して、ハライドペロブスカイト材料の構造と形態を正確に制御します。 3D プリント技術により、LED の性能向上に不可欠な、ハロゲン化ペロブスカイト膜の非常に均一な分布が実現しました。

●研究者らは、3Dプリントプロセスを最適化することで、発光量子収率が100%に近い青色および緑色のハロゲン化物ペロブスカイト材料の作成に成功しました。効率的な発光特性は、これらの材料が高効率LEDの製造に非常に適していることを示しています。

●3Dプリンティング技術を用いて製造されたハライドペロブスカイトLEDは、優れた明るさ、安定性、色純度を実現します。従来の製造方法と比較して、 3D プリント技術により、製造された LED の均一性と一貫性が向上し、全体的なパフォーマンスが向上します。

△青と緑の2色3Dプリントを実現。 (A) マルチマテリアル 3D プリントプロセスの概略図。 (B と C) 白色光 (B) と 254 nm UV 励起下で 3D プリントされた 2 つの発光エッフェル塔。 (D) 254 nmの紫外線励起下で二色発光するエッフェル塔。 (E から H) それぞれ青と緑のエミッターを備えた、立方八面体、十四面体、メンガースポンジ構造など、さまざまな階層と形状を持つ等角八重奏トラスとねじれ八重奏トラス、またはそれらの組み合わせ。これらの印刷された構造は 254 nm で光励起されました。

この研究により、3D プリント技術を使用して高品質のハロゲン化物ペロブスカイト LED を大量生産する可能性が開かれました。 3D プリント技術は、LED の効率を向上させるだけでなく、生産コストを削減し、製造プロセスを簡素化する可能性もあります。この技術の進歩は、将来のディスプレイ技術と照明分野の発展を促進する上で大きな意義を持ちます。

オリジナルリンク: DOI: 10.1126/science.adi4196

2. 科学：「一石二鳥」 - 超均一、高強度、可塑性を備えた3Dプリントチタン合金の実現

2024年2月8日、重慶大学材料科学工学学院、オーストラリアのクイーンズランド大学、デンマーク工科大学の共同研究チームが『サイエンス』誌に「二機能性合金設計による超均一、強靭、延性3Dプリントチタン合金」と題する論文を発表し、「一石二鳥」の合金設計戦略を提案し、さまざまな金属粉末原料、可変印刷合金システム、さまざまな3D印刷技術、高度なマルチマテリアル印刷を探求する道を開いた。

研究者らによると、金属3D印刷プロセスには通常、複数の物理的および冶金学的現象が関与しており、印刷された部品に複雑な微細構造と多様な機械的特性がもたらされるという。しかし、3D プリントのプロセスでは、金属が粗い柱状粒子と不均一に分散した相を形成することがよくあります。このような組織構造は、プリントされたコンポーネントの機械的特性が不均一になるだけでなく、コンポーネントの機械的特性も低下させます。そのため、研究者たちは当初、「一石二鳥」の合金設計戦略を模索し、3D プリントによって直接、優れた性能と均一性を備えたチタン合金を得ることを構想しました。

Moナノ粒子の添加により、3DプリントされたTi-5553合金の機械的特性と均一性が大幅に向上します。

研究者らは、合金の強度を高めながら良好な延性を維持するという目標を達成するために、合金元素の選択と割合の調整を通じて、二重機能合金設計戦略を採用した。二重機能合金設計により、3D プリントされたチタン合金は超均質な微細構造を実現し、材料内に明らかな局所的な差異がなくなるため、材料の全体的な性能が向上します。要約すると、研究チームは、 3Dプリントプロセスと合金組成を最適化し、材料内部の亀裂、気孔、その他の不連続性などの欠陥を減らして、超均一な微細構造を持つ3Dプリントチタン合金の製造に成功し、材料の機械的特性を大幅に改善しました。降伏強度は926MPaに達し、破断伸びは26％で、強度と可塑性の優れた一致を実現しました。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

3. 科学:光硬化型3Dプリント「心臓絆創膏」が損傷した心臓の修復に利用可能に

2024 年 8 月 3 日、コロラド大学ボルダー校 (CU Boulder) とペンシルバニア大学の研究チームは、伸縮性、粘着性、弾力性を兼ね備え、損傷した心臓組織を修復するための内包帯、軟骨パッチ、または針を使わない縫合糸の印刷に使用できるハイドロゲル材料を 3D 印刷するプロセスを開発しました。 「高度に絡み合ったポリマーネットワークの付加製造」と題されたこの研究は、トップジャーナル「サイエンス」に掲載されました。

この伸縮性のあるバンドエイドのような素材は、研究チームが開発したCLEAR（Continuous Curing after Irradiation Assisted by Redox Initiation）と呼ばれる特殊な3D印刷プロセスによって実現しました。このプロセスは、印刷プロセス中に素材分子の架橋を本質的に制御します。これは、ライトコンバージェンスとダークコンバージェンスの組み合わせを使用することで実現されます。研究者らによると、この新しい3D印刷方法は室温で高いモノマー変換率を達成し、印刷後に光や熱などの追加の刺激を必要とせず、従来のDLPよりも4〜7倍高い伸長エネルギーで積層造形により高度に絡み合ったハイドロゲルとエラストマーを生産できるという。

△CLEAR技術で印刷された様々な弾性形状

研究者らはこの技術の暫定特許を申請しており、この技術は標準的なDLPマシンで印刷される部品よりも柔軟で丈夫な素材を印刷することに成功しただけでなく、組織に貼り付くほどの粘着性も備えている。バーディック研究室の研究者マット・デイビッドソン氏は、組織を支えるのに十分な強度を持つ接着材料を3Dプリントすることが可能であることを示した。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

4. 自然：3Dプリントによる耐疲労性チタン合金が画期的な進歩を遂げる

2024年2月27日、中国科学院金属研究所材料疲労破壊チームのリーダーである張哲鋒は、従来の疲労損傷メカニズムと疲労予測理論の指導の下、軽量高強度材料研究部の楊睿研究員のチームと協力し、ネット積層造形法（NAMP）と呼ばれる、微細構造と欠陥のみを制御して疲労に強い3Dプリントチタン合金を製造する革新的な戦略を提案しました。研究成果は、2024年2月29日に「ほぼボイドフリーの3Dプリントによるチタン合金の高疲労耐性」というタイトルで主要学術誌「ネイチャー」に掲載されました。

研究者らは、理想的には、3Dプリント技術によって直接製造されたチタン合金組織（Net-AM組織と呼ばれる）は、自然に優れた疲労性能を備えているはずだが、印刷プロセス中に生成された気孔などの欠陥が組織自体の抗疲労の利点を覆い隠し、3Dプリントされた材料の実際の測定された疲労性能が大幅に低下すると述べた。したがって、3D プリント材料の疲労性能を向上させる鍵は、印刷された元の組織の状態を可能な限り維持しながら、印刷の気孔を排除することです。しかし、現在の気孔を除去するプロセスは、微細組織の粗大化を伴うことが多く、一方、微細組織を微細化するプロセスは気孔の再出現につながり、さらには粒界α相の濃縮などの新たな不利な要因を引き起こす可能性があり、ジレンマとなっています。

△3Dプリントチタン合金の印刷状態、NAMP状態、およびその他の2つの典型的な状態における微細構造と欠陥特性：（a）印刷状態、（b）熱間等方圧プレス（HIP）状態、（c）ニアネットAM状態、（d）ネットAM状態。

幸いなことに、研究者らはTi-6Al-4V合金において、高温での3Dプリント構造の粒界移動と気孔成長が相変態プロセスと非同期特性を示すことを初めて発見しました。つまり、ラス構造の微細化を達成し、粒界α相の濃縮と気孔の再出現を効果的に抑制できる熱処理プロセスウィンドウが存在するということです。この目的のために、研究者らはこのプロセスウィンドウを巧みに利用し、欠陥と組織を段階的に制御する新しい NAMP プロセス (Net-Additive Manufacturing Process) を発明し、最終的にほぼ気孔のない Net-AM に近い Ti-6Al-4V 合金を製造しました。 NAMP プロセスの手順には、主に、微細孔を除去するための熱間静水圧プレス (HIP) と、それに続く微細なマルテンサイトラズを含む積層造形された微細構造を復元するための高温短時間 (HTSt) 熱処理が含まれます。これにより、チタン合金をほぼ空隙のない Net-AM 微細構造に復元できます。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

5. 自然：連続液体界面技術に基づく特定形状の粒子の生成

2024年3月13日、米国スタンフォード大学のジョセフ・M・デシモーネ氏らの研究者らは、ロールツーロール連続液体界面生産（r2rCLIP）に基づく形状特定粒子の製造のためのスケーラブルで高解像度の3Dプリント技術を発表しました。関連論文「ロールツーロールによる形状特異的粒子の高解像度 3D プリンティング」が、 2024 年 3 月 13 日にNatureに掲載されました。

この研究では、高解像度 3D 印刷技術、特に CLIP (Continuous Liquid Interface Production) 法の微細構造製造への応用を検討しました。研究チームは、柔軟な基板上に複雑な3次元形態を持つ微粒子を迅速かつ連続的に印刷できる「r2rCLIP」と呼ばれるシステムを開発した。研究者らは、光の照射量、グレースケール処理、光近接効果補正などの印刷パラメータを最適化することで、硬化深度を高度に制御し、過剰硬化を減らし、各ボクセル内の特性を微調整することができました。

△ロールツーロールCLIPは複雑な形状の粒子を迅速に製造するプロセスです

この研究では、異なる樹脂組成が印刷効果に与える影響を調査し、低から高までの浸透深度と対応する硬化深度の測定結果を示しました。走査型電子顕微鏡による画像品質を向上させるために、金/パラジウムコーティングが使用されました。同時に、著者らはブリッジ試験法を使用して樹脂の硬化特性曲線を決定する方法について説明し、それによって適切な印刷条件を選択するためのガイダンスを提供しました。

この研究は、3Dプリント技術の精度を向上させるだけでなく、特定の機能を備えたミクロンサイズの粒子の製造への道を開き、薬物送達、組織工学などの分野への応用が期待されています。この研究では、光の屈折や回折、浸透深度、ゲル化に必要な臨界露光量などの要素を含む、高解像度印刷を成功させるには材料特性を選択することが重要であることを強調しています。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07061-4

6. 自然：環境に優しい新しい3Dプリント材料のブレークスルー - 天然成分を使用して効率的な可逆的な光重合を実現

2024年5月15日、アンタークティックベアは、バーミンガム大学の研究者が真空光重合法を使用してフォトポリマー樹脂の付加製造を実行し、カスタマイズされた3Dプリント部品の迅速な製造を実現できることを知りました。彼らの研究は、 「付加製造のための再生可能資源の円形フォトポリマー樹脂」というタイトルでNature 誌に掲載されました。

研究者らは、急速な硬化をサポートするのに十分なジスルフィド濃度を維持しながら、歪んだ環ジスルフィド（天然由来のα-リポ酸など）を含む樹脂システムを使用することで、従来の添加剤によって引き起こされる不可逆性の問題を回避する革新的な3Dプリント材料を提案しました。研究者らは、持続可能な資源から得られるソルビトールおよびメントールとアルファリポ酸を組み合わせて、多価架橋剤としてのソルビタンリポ酸（IsoLp2）と反応性希釈剤としてのメンチルリポ酸（MenLp1）という2つの化合物を作り出した。 2 つの物質を混合して安定した印刷樹脂を形成し、その中で MenLp1 が安定化の役割を果たして、保管中に自己架橋によって IsoLp2 がゲル化するのを防ぎました。

△光硬化樹脂の3Dプリントとリサイクル

この樹脂システムは優れた環境安定性を示すだけでなく、その合成プロセスではグリーンケミストリーの原理も考慮されており、より安全で毒性の少ない試薬と溶媒を使用しています。この新素材により、3Dプリントされた部品は光にさらされると可逆的な重合を起こすことができ、将来のリサイクルの可能性が開かれ、環境への影響が軽減されます。さらに、この技術は優れた印刷精度と機械的特性も実証しており、3Dプリント業界のさらなる発展を促進することが期待されています。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07399-9

7. Nature:頭蓋内生理学的信号モニタリングのためのマイクロナノ 3D プリントされた注入可能な超音波センサー

2024年6月5日、華中科技大学のZang Jianfeng教授、Jiang Xiaobing教授、シンガポールの南洋理工大学のChen Xiaodong教授のチームが協力し、従来の有線センサーの感染リスクや術後合併症を克服し、大きすぎる、体内で分解できないなど、既存の無線電子センサーの臨床応用の課題を回避することが期待される革新的な注射用超音波ゲルセンサーを開発しました。関連する研究結果は、「頭蓋内信号の無線モニタリングのための注入型超音波センサー」というタイトルでネイチャー誌オンライン版に掲載されました。

研究チームは、「超音波スーパーゲル」と呼ばれる新しいセンサー構造を設計・製造しました。これは、二重ネットワーク架橋ハイドロゲルマトリックスと、内部に周期的に配置された空気チャネルで構成されており、体積はわずか2×2×2mm3です。この注射可能なセンサーは、研究チームがMofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3D印刷技術（nanoArch®S140、精度：10μm）を使用して金型を加工し、その後ハイドロゲル成形によって製造しました。コンピューターシミュレーションと構造の最適化を経て、この特殊構造は 8 ～ 10 MHz の周波数帯域に音響バンドギャップを持ち、入射する超音波に対して強力な反射能力を備えています。ゲル素材は生体適合性があり分解可能な素材でできており、体内に注入してから約 1 か月後に自然に分解されるため、再度頭蓋切開を行って除去する必要はありません。

△ 注入可能で分解可能なスーパーゲル超音波センサーの設計原理 - 超音波反射に基づくスーパーゲルワイヤレス頭蓋内生理センサーの概略図。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

8. 自然：新しい3Dプリントエラストマー素材が強度と靭性の限界を突破

2024年7月、浙江大学化学工学・生物工学学院の謝涛氏と呉静軍氏の研究チームは最近、自身の長さの9倍以上に伸びる「スーパー輪ゴム」を3Dプリントした。直径約1ミリの「本体」は、10キロの米袋を持ち上げることができる。その性能は、他の3D光硬化プリントエラストマーの性能をはるかに上回っている。彼らの研究結果は、 「並外れた強度と靭性を備えた 3D プリント可能なエラストマー」というタイトルでNature 誌に掲載されました。

研究者らは、並外れた強度と靭性を備えたエラストマーを生成する 3D プリント用の光硬化性樹脂を開発した。この材料は、動的共有結合を導入することで、ネットワークトポロジーの再構築を可能にし、階層的水素結合（特にアミド水素結合）、ミクロ相分離、相互浸透ネットワーク構造の形成を促進します。これらの特性が相まって、材料に優れた機械的特性をもたらします。 6 時間の熱後硬化後、エラストマーの引張強度は 94.6 MPa に達し、靭性は 310.4 MJ m^-3 となり、既存の 3D プリントエラストマーをはるかに上回りました。

△「スーパー輪ゴム」の伸ばす前と伸ばした後の比較。左の写真はストレッチ前、右の写真はストレッチ後です。

この材料は、自動車、建設、消費財などの従来の分野だけでなく、マイクロ流体工学、ソフトロボット、ウェアラブルエレクトロニクス、医療機器などの新興分野でも幅広い応用が期待されています。研究チームは浙江大学や上海交通大学など複数の機関から構成されており、その成果は大規模製造における3Dプリント技術の応用を促進するものと期待されている。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6

9. 自然：音と光を組み合わせたダイナミックインターフェース3Dプリント技術が、未来の製造業の新たなパラダイムを生み出す

2024年10月30日、Antarctic Bearは、オーストラリアの研究者が新しい3D印刷方法であるダイナミックインターフェース印刷を提案したことを知りました。これは、音響的に変調された閉じ込められた気体と液体の境界を使用して、数十秒以内にセンチメートルレベルの3D構造を迅速に生成するものです。彼らの研究結果は「ダイナミック・インターフェース・プリンティング」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました。

体積印刷は、自由に浮遊する等方性構造を迅速に製造できるため、幅広い注目を集めていますが、このアプローチでは特殊な光学系や特殊な材料配合が必要になるため、幅広い応用が制限されています。オーストラリアのメルボルン大学の研究チームは、新しい3Dプリント技術「ダイナミックインターフェースプリント（DIP）」を提案しました。この技術は、底部が開いて上部が透明なガラス窓で密閉された中空のプリントヘッドを使用し、音響作動によって制御された空気と液体の界面を生成し、物体の迅速な生成を実現します。この革新的な方法は、従来の技術で必要とされる複雑なフィードバックシステムや特定の化学物質を回避するだけでなく、数秒から数十秒の時間範囲でセンチメートル規模の 3D 構造の印刷を可能にします。

△DIPの革新的な方法は、中空のプリントヘッドとガス液体メニスカスを使用し、空気圧と音波を調整することで高速でレイヤーフリーの3Dプリントを実現します。

DIP は、プリントヘッド内の圧力を動的に調整できるため、印刷プロセス中にメニスカスの形状と位置を制御できるという点で独特です。この変調は固定して静的メニスカスを形成することもできますが、さまざまな振幅と周波数にわたってインターフェースを音響的に変調して毛細管重力波を形成することもできます。特定の瞬間におけるメニスカスの正確な位置は、プリントヘッドの垂直位置、プリントヘッド内の静圧、および音響変調の振幅と周波数の重ね合わせによって決まります。この振動作動は、投影間で連続的にまたは一時的に作動させることができます。

この新しい 3D プリント方法は、既存の技術の速度ボトルネックを克服するだけでなく、適用可能な材料の範囲を拡大し、特にソフト材料やバイオ関連材料をサポートします。さらに、DIP 技術は、特殊な化学物質や光フィードバックシステムを必要とせずに、任意のサポートされていない構造を迅速に生成する能力を示しており、これは、高生存率の組織工学、大規模生産、ラピッドプロトタイピングなどの分野で大きな意義を持ちます。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6

10. 自然：3Dプリントにより鳥の離陸メカニズムの研究が可能になり、新しいバイオニックロボットRAVENの製造に役立つ

2024年12月4日、スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究者らは、バイオニックロボットRAVEN（Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments）に関する最新の研究成果を「 Fast ground-to-air transition with avian-inspired multi functional legs（鳥にヒントを得た多機能脚による地上から空中への高速遷移）」としてNature誌に発表した。このロボットは鳥を模倣しており、歩く、ジャンプする、飛ぶことができ、鳥にヒントを得た離陸メカニズムを使用して効率的な空中から地上への移行を実現します。 3D プリント技術は RAVEN の製造プロセスで重要な役割を果たし、この画期的な研究を可能にしました。

RAVEN の核となるイノベーションは、鳥の後ろ足にヒントを得たバイオニック脚機構にあります。複雑な鳥の脚構造とは異なり、RAVEN の脚の設計は、股関節、足首、足の 3 つの主要パーツのみに簡素化されており、股関節と足首の関節を制御することで、歩く、ジャンプする、飛ぶなどの複数の動作モードを実現します。

△鳥からヒントを得たロボットのデザインと機能

この設計を実現するために、研究者らは3Dプリント技術を多用した。 RAVEN の主要コンポーネントの多くは、ギアボックス、脚コネクタ、足構造、胴体フレームなど、3D プリンター Ultimaker S5 と高靭性 PLA 素材を使用して製造されています。この製造方法により、複雑な形状を素早く構築できるだけでなく、必要に応じて設計パラメータを調整してロボットのパフォーマンスを最適化することも可能になります。たとえば、RAVEN の足のデザインは平らな足構造を特徴とし、 3D プリント技術によってつま先に受動弾性ジョイントを統合し、陸上移動時および地上から空中への移行時の安定性と柔軟性を高めています。さらに、 3D プリントにより、研究者は設計を迅速に反復し、実験中に RAVEN のパフォーマンスを継続的に向上させることができました。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9

概要<br /> 2024年、2大学術誌「サイエンス」と「ネイチャー」は、積層造形（3Dプリンティング）の分野に焦点を当てた画期的な研究を合計10件発表しました。これらの研究はテクノロジーの限界を広げ、製造業の未来を告げるものでした。この研究は、新素材の開発、超高速印刷技術から生体適合性アプリケーションまで、幅広い側面をカバーし、ソフトロボット、医療機器、電子部品などの最先端技術における積層造形の可能性を探り、この技術が複雑にカスタマイズされた製品の製造および使用方法をどのように変えることができるかを実証します。これらの新しいテクノロジーが商業化に向かうにつれて、より柔軟で効率的かつ持続可能な製造業が形成されつつあります。

3D プリンティング研究のブレークスルー: 2024 年の Science と Nature に掲載される 10 件の記事

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