セラミック 4D プリントの新たな進歩! Qiyu Technologyチームが複雑なセラミック構造の4Dプリントを実現

南極熊の紹介：近年、4Dプリントに関する研究は、積層造形や材料分野から注目を集めています。いわゆる「4Dプリント」は、簡単に言えば「3Dプリント+時間」です。3D技術でプリントされた構造は、外部刺激を受けて時間の経過とともに形状や構造を変えることができます。

南極熊は、深圳市奇宇科技有限公司が清華大学深圳大学院、佛山（華南）新材料研究所と共同で、複雑なセラミック構造の4D印刷戦略を提案し、それを成功裏に実施し、セラミック材料の固形分と印刷経路を正確に調整することで、セラミック構造の制御可能な形状変形を実現したことを知りました。関連する研究結果は、「セラミック構造の4Dプリンティング」というタイトルで国際ジャーナル「Additive Manufacturing」に掲載されました。 Qiyu TechnologyチームのWang Feng博士と中国科学技術大学材料科学工学学院のChenchen Liuが共同筆頭著者であり、清華大学深圳大学院と佛山（華南）新材料研究所が責任著者です。研究所が使用するセラミックスラリーと微細直接描画3D印刷装置は、深圳Qiyu Technology Co., Ltd.から提供されています。

4D プリンティングは、3D プリンティングの制御可能な形状変形を実現し、複雑な形状設計のさまざまな可能性を可能にします。ただし、4D プリントは通常、変形しやすい柔らかい素材に適用されます。しかし、セラミックは本質的に硬くて脆いため、4D プリンティングでの開発が妨げられてきました。この研究では、焼結プロセス中に印刷されたセラミックスの応力不一致を利用して、セラミック構造の 4D 印刷を実現します。一般的に、3D プリントされたセラミック体の焼結後の収縮率は、使用されるセラミック材料の固形分含有量に反比例します。 Qiyu Technology チームは、高固形分下層と低固形分上層を持つ二層ジルコニア (ZrO2) セラミックを印刷し、焼結収縮率の内部応力の方向が低収縮材料の軸方向と一致するようにし、その形状を平面から曲面構造に変えました。このプロセスでは、研究者はさまざまな印刷プロセスを選択することで、セラミック構造の形状変形挙動をカスタマイズしました。最終的に、セラミック材料の固形分含有量と印刷経路をプログラムすることで、さまざまな特性を持つ 4D プリントされたセラミックフラワーが実現しました。

研究内容の解釈<br /> Qiyu Technology チームは、複雑なセラミック構造を実現するための 4D プリント戦略を提案しました。直接インク書き込み (DIW) 技術は、液晶エラストマー、磁性素子、ハイドロゲル、形状記憶ポリマーなどの 4D 印刷にうまく適用されています。本論文では、DIW技術を用いて二層セラミックシートを作製し、二層ZrO2セラミック材料の固形分含有量と印刷経路をプログラムすることにより、焼結収縮率の内部応力の方向が低収縮率材料の軸方向と一致するようにした。複雑な形状のセラミックを製造するために現在使用されている従来のプロセスと比較して、Qiyu Technology チームが提案する 4D 印刷プロセスでは、セラミック構造を下から印刷することができます。

最近の研究では、セラミック分野で新たなブレークスルーを達成するために、Qiyu Technology チームはセラミック構造の 4D プリントを提案し、研究しました。研究者らはまず、異なる固形分含有量を持つセラミック材料の焼結収縮を推定し、次にDIWプロセスを使用して二層ZrO2セラミックを作製した。研究では、焼結中に二重層セラミックの上部と下部の収縮の不一致により形状が変化することが判明しました。このように、セラミックの 4D 印刷は、焼結による二重層の自己変形を通じて実現されます。 DIW 直接書き込み 3D 印刷プロセスでは、セラミック材料の固形分含有量と印刷パスがセラミックの自己変形プロセスに影響します。上記 2 つのパラメータを正確に調整することで、花の幾何学的形状をシミュレートした 4D プリントセラミック構造を得ることができます。この 4D 印刷プロセスは、直接書き込み焼結プロセスによって複雑なセラミック構造を設計するための実行可能な戦略を提供します。同時に、Qiyu Technologyが提案する4Dプリントセラミック構造は、プログラム可能な自己変形戦略も実証しており、幅広い応用シナリオを備えたボトムアップの最先端のセラミック製造方法です。

△図1 直接描画と焼結法を用いたセラミック構造の4D印刷。 (a) ZrO2ナノ粒子をさまざまな割合でUV樹脂と混合した。 (c) 均一に分散したZrO2ナノ粒子を含むUV材料インク。 (d) DIW技術とUV硬化処理を備えたデュアルノズルを使用したセラミックシートの3Dプリント。 (e) 3Dプリントされたセラミックシートは焼結され、4Dプリントされたセラミック構造に変換されます。
△図2 焼結後のセラミックグリッドのレオロジー特性と収縮率。 (a) 固形分 75 wt % の複合材料の弾性率 (G’) と粘弾性率 (G”)。 (b) UV インクのセラミックグリッドの X 方向の収縮は、ZrO2 ナノ粒子の固形分が増加するにつれて減少します。挿入図は、焼結前後のセラミック格子の形状を示しています。
△図3 焼結中のセラミック二重層の自己変形。 (a) 異なるパスを使用した二層セラミックブロックの印刷。 (b) 焼結後の二層セラミックブロックの形状変化。 (c) 焼結前後のセラミックブロックの比較。 (d) 焼結後の二層セラミック長方形の幾何学的形状。 (e) 焼結後の二層セラミック楕円の形状。スケールバーは10mmです。
△図4 印刷パスをプログラミングすることで、セラミックフラワーの4Dプリントを実現します。 (a) 二層セラミックの最上層は異なるパスを使用して印刷されます。 (b) 焼結後の各種二層セラミック多角形の形状変化。 (c) 焼結前と焼結後の積層セラミックスの上面図。 (d) 焼結前と焼結後の積層セラミックの側面図。
△図5 UVインクの固形分濃度を調整することでセラミックフラワーの4Dプリントを実現。 (a) 焼結後の各種二層セラミック多角形および積層セラミック構造の形状変化。 (b) 焼結後の二層セラミックの微細構造。 (c) 4Dプリントされたセラミック構造によって模倣された花の形状。
△図6 焼結後の曲げの様子を示す模式図。 (a) 簡略化された2次元二層セラミックシステム。 (b) 本研究でDIW印刷したサンプルを表す簡略化された2Dシステム。

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