ハーバード大学「ネイチャー」：サブボクセル制御による回転式マルチマテリアル 3D 印刷法

この投稿は Spectacled Bear によって 2023-1-19 06:44 に最後に編集されました。

はじめに: 自然界では、らせん構造のユニークな機械的特性が科学者に数え切れないほどのインスピレーションを与えてきました。
2023年1月18日、アンタークティックベアは、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が、マルチマテリアルと回転要素を組み合わせて3Dプリント技術に適用し、3Dプリントフィラメントのサブボクセル制御を実現した新しいタイプの回転マルチマテリアル3Dプリントプラットフォーム（RM-3DP）を開発したことを知りました。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。
△RM-3DPプラットフォームの構造 RM-3DPには、次の2つの特徴があることがわかります。1.方位角的に異質なサブボクセル機能を備えた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の自由回転機能が装備されています。△サブボクセル製造プラットフォームのノズルシステムは、4チャンネル回転装置を使用して、固定された入口セットから対応する回転出口セットに加圧空気を送信することにより、インクタンクの圧力制御と自由回転を実現します。インクリザーバーとノズルはシャフトを介してステッピングモーターに接続されており、システムの回転部分の回転と角速度を制御します。最後に、ノズルシステム全体を 3 軸のモーション制御プラットフォームに取り付けて、印刷ノズルと基板間の移動速度とギャップの高さを制御し、サブボクセル制御を備えたマルチマテリアル 3D 印刷デバイスを完成させました。
△複雑な下部構造の印刷を実現
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。
△人工筋肉に応用された3Dプリント回転サブ構造上記の技術を通じて、研究チームは、プリント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することができ、既存のプリントの詳細を「ボクセル」よりも小さな詳細な構造に拡張しました。これにより、印刷されたフィラメントに、導電性と誘電性という 2 つの異なる特性を組み合わせたフィラメント構造など、より多くの構造機能が付与されます。フィラメントに電圧をかけると、構造全体が人間の筋肉のように伸縮します。
△電圧を印加した後の人工筋肉の伸張状態。さらに研究チームは、らせん角度を制御することで、このように印刷された格子の破断位置を伸張プロセス中に制御できることも発見した。つまり、この技術を使うと、原材料や形状は同じでも、ある程度の詳細な制御によって構造特性が異なる新しい材料を作り出すことができるということになります。
△格子破壊位置の制御。現在、ハーバード大学がこの研究で米国特許を申請中。もう 1 つの興味深い発見は、この研究の責任著者である Jennifer A. Lewis が、Autodesk、Azul 3D、および Desktop Metal の子会社である Desktop Health の諮問委員会にも所属していることです。 JAL の最新の特許の 1 つは、3D プリントされたバイオインクと、臓器/組織モデルまたは治療用構造物を 3D プリントする方法に関するものです。サブボクセル印刷の登場は、人工血管などの生体組織に大きく貢献するでしょう。さらなる技術と資金投資により、医療分野で真に応用可能な 3D 印刷された人間の臓器が登場する日もそう遠くないはずです。

関連記事: Larson, NM, Mueller, J., Chortos, A. et al. サブボクセル制御によるフィラメントの回転マルチマテリアル印刷。Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7
原文および関連特許の編集: Baidu Cloud Disk アドレス: https://pan.baidu.com/s/1HbPMTiqaVwiUuHCkMMP9Sw 抽出コード: 9ze4 Alibaba Cloud Disk アドレス: https://www.aliyundrive.com/s/juTFYvWpSJu 抽出コード: 6f3m

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