Tan Jianrong: 3D プリントから 4D プリントへ - 主要技術と開発動向

2024年付加製造産業発展フォーラムおよび付加製造産業年次大会メインフォーラムにおいて、中国工程院院士、浙江大学秋実特別教授、浙江大学設計工学・自動化学部長の譚建栄氏が「3Dプリントから4Dプリントへ：主要技術と開発動向」と題する講演を行った。

譚建栄：親愛なる指導者および専門家の皆様、おはようございます。本日は、3D 印刷から 4D 印刷までの積層製造の主要技術における最近の学習、研究、および新開発の応用について皆様にお知らせするために広州に来ることができ、大変嬉しく思っています。会議に出席されているすべてのリーダー、専門家、ゲストと私の学習体験を共有したいと思います。

私は浙江大学出身で、主にデジタル設計とインテリジェント製造に関する研究に従事しています。李院士は3Dプリンティングについて非常にハイレベルかつ実用的な報告を行いました。3Dプリンティングによる付加製造はハイテク技術ですが、現在多くの問題点や困難があります。問題点はどこにあるのでしょうか?物理的特性は制御が難しく、テストも困難です。それを検出するためにどのような方法を使用しますか?根拠は何ですか?どのような基準ですか?何の理論ですか?どのような方法ですか?これについてはさらに議論する必要がある。

2 つ目の難しさと問題点は物理的なパフォーマンスですが、3D プリントには多くの用途があります。実際の製造方法を変更し、実際の製造時間を短縮し、実際の製造コストを節約し、実際の製造人員を削減し、実際の製造の可能性を高めることができます。特に最後の一文、実際の製造の可能性を高めること、これが 3D プリンティングと積層造形の最大の活用方法です。

3Dプリンティングや積層造形技術は多くの分野に応用できますが、3Dプリンティングに最も適した分野はどこでしょうか？大量カスタマイズ製品に使用されます。カスタマイズ生産が必要な製品。つまり、3D プリントは、単一部品、小ロット、カスタマイズ、大規模カスタマイズを生産できます。大規模とは、カスタマイズを修正することではありません。これは、大規模とカスタマイズされた生産方法の両方の利点を組み合わせることを意味します。正しく理解していない人もいて、大量生産をカスタマイズの修飾語として考えています。カスタマイズは良いことですが、カスタマイズされることは必ずしも良いことなのでしょうか?いいえ。当社の大量生産の利点は否定できません。特にカスタマイズは、標準化、シリアル化、モジュール化に基づいてカスタマイズする必要があります。一部の経営者は、100% のカスタマイズは良くないと言っています。何でも極端に押し進めると逆の方向に行き、100% のカスタマイズは標準化、シリアル化、モジュール化を完全に否定します。これら3つの要素が大量生産のメリットです。

したがって、マスカスタマイゼーションは大量生産とカスタマイズ生産の利点を組み合わせ、相互に補完する生産モデルであり、3Dプリントの方が適しているということを正しく理解する必要があります。

さて、3D プリントから 4D プリントの現在の開発まで、3D プリントについてではなく、4D プリントに焦点を当ててお話しします。 4次元印刷とはどういう意味ですか? 4次元印刷は3次元印刷をベースに、対応する材料と組み合わせたもので、対応する材料が鍵となり、時間を4次元として導入する新たな積層造形技術となります。 20年以上前にミシガン大学の教員によって初めて提案されましたが、現在では4次元印刷が注目され、さまざまな分野で応用されています。

いわゆる4次元印刷とは、プログラム可能な材料と3次元印刷技術を使用して、事前に水に置くことができ、加熱、加圧、電気、光などによって自己変形できる物理的特性を作成することです。この物理的特性は、形状、密度、色、弾性、導電性、光学特性、バッテリーの3次元オブジェクトなど、自由に変形できます。私たちのアニメーションは、4次元印刷のプロセスを示しています。印刷後はこのように見え、時間の経過とともに変化し始めます。

プログラム可能な材料はプログラミングによって制御されます。PLCはプログラム可能であり、ロボットはプログラム可能な機械です。したがって、プログラム可能性は非常に重要です。形状、密度、導電性、色、光学特性、バッテリー特性などの材料は、プログラム可能な方法で変更できます。4次元印刷の4次元とは、オブジェクトが製造された後、その形状と性能を自由に変更できることを意味します。

したがって、4次元印刷の主な構成要素は4つの部分に分けられます。1つ目はインテリジェントおよびインテリジェント材料、2つ目は4次元印刷装置、3つ目は外部直接要因、4つ目はインテリジェント設計プロセスです。 4次元印刷の4つの要素を具体的に見てみると、1つ目はインテリジェントでスマートなフィードバック材料であることがわかります。4次元印刷は、応用シーンの具体的なニーズに応じて、直接的または条件付きでインテリジェントに変換でき、インテリジェントな特性を示し、この種の物質の基本材料をスマート材料にすることができます。

当社は広東省深圳にインテリジェント材料研究所と4次元印刷設備を有しており、印刷設備は異なる材料の合理的な配分、熱膨張係数などの異なる材料特性など、特定の方法で構造を可能にします。

3番目の刺激因子が鍵です。刺激因子は、4次元印刷構造の形状、特性、機能の変化に使用されます。したがって、関係があります。研究者は、4次元印刷の分野で、水、温度、紫外線、光熱結合、水熱結合などの刺激因子を適用してきました。

4 番目に、インテリジェントな設計プロセスでは、インタラクティブなメカニズムに基づいて動作と要求パラメータを予測し、制御可能な結果を確実に得られるよう十分に考慮します。

従来の 3D 印刷では、専門的なスキャナーとスキャン機器を使用してオブジェクトの 3D データを取得しますが、4D 印刷では、モデリングの開始時に、変形特性に基づいて、材料値、時間、その他の変形要因、およびその他の関連デジタルパラメーターを印刷材料に事前に提示する必要があります。そのため、いくつかの利点があります。 1 つ目の利点は、物事をある形から別の形に変換できるため、製品設計の自由度が最大限に高まることです。 2 つ目は、追加の時間コストをかけずに、印刷された部品に駆動などのセンシング機能を埋め込むことができることです。 3 つ目は、同じバッチの製品でカスタマイズされた生産を実現できることです。 4 つ目は、パーソナライズされた製品を生産できることです。 5 つ目は、単純な構造を事前に印刷できることです。外部刺激によって複雑な機能を持つ構造に変える場合、最初に単純なオブジェクトを印刷し、刺激によって複雑なオブジェクトに変形することができます。 6 つ目は、印刷に適した材料を製造し、動的な機能を埋め込むと、製品の機能が期待を超えることです。これは、パリのエッフェル塔の変形プロセスです。 7 つ目は、サプライチェーンと組み立てラインを根本的に排除できることです。サプライチェーンを必要とせず、それ自体が変形して小さなシステムになることができます。 8 つ目は、設計とプログラミングを使用して、物質の世界をデジタル化できることです。 9 つ目は、デジタルファイルを世界中の任意の場所に送信し、3 次元ピクセルと組み合わせて必要な製品を製造できます。デジタルファイルを送信するだけです。

10 次元ピクセルの設計と製造は、大きな影響を与える新興産業となるでしょう。今、私たちは皆、破壊的な技術を開発し、破壊的な産業が生まれることを望んでいます。3D プリンティングはその 1 つです。

第十一に、科学者や技術者に、複数の機能や複数の物質体を想像し、物質をプログラムし、四次元印刷を利用して物質プログラミングを実現するという刺激を与えるでしょう。この分野が実現されるでしょう。

4次元印刷は主に何に使用されますか?主に航空宇宙、医療と工学の融合などに使われています。例えば、小型ロボットが人体に注入され、ロボットが腸を開き、腸内で変形します。航空宇宙でも同じで、単純な物体が宇宙に打ち上げられ、宇宙で複雑な製品に変形します。このようにして、コストは低く、効率は高くなります。

では、3D プリントや 4D プリントを含む積層造形の新しい主要技術とは何でしょうか?ここでは、7 つの主要なテクノロジーをまとめましたので、ご紹介します。

まず、積層造形における適応積層と精度向上の技術、主に精密積層です。3Dプリントの最も基本となるのは積層造形です。積層造形における適応積層と精度をいかに向上させるかが鍵となります。
第二に、積層造形は、自由で効率的、高精度な多軸印刷技術をサポートしており、同じオブジェクトを複数の自由度で印刷できます。
3つ目は、製造性を高めた複合材料印刷最適化技術です。
第四に、多材料電熱応答のファジー制御安定設計技術。
第五に、積層造形プロセスは欠陥検出技術を容易に識別できる。
6番目は、マルチドメイン融合積層造形に基づくデジタルツイン技術です。
第7に、マニフォールドトポロジーに関連する4次元印刷のマルチレスポンス制御技術。

これらは、3次元印刷や4次元印刷を含む積層造形の最新開発におけるいくつかの重要な技術です。高品質、高効率、高度なカスタマイズ、高コンピューティングパワーのサポートという4つの主要な特徴と開発傾向があります。高品質、高効率、高度なカスタマイズ、高コンピューティングパワーに向けて発展する必要があります。私のチームは主にデジタル実製造に従事しており、この分野で多くの論文を発表しています。また、積層造形に関するICEIハイレベル論文を100件以上、発明特許を80件以上発表しています。積層造形の産業化に関しては、4億元の投資で産業協力基地を組織し、杭州に数社の企業を擁しています。これが論文であり、これが私たちの産業化基地です。また、産業基地では金属3Dプリント設備の開発に成功し、ステンレス鋼やチタン合金などの金属の3Dプリントやレーザー技術を開発しました。当社の航空宇宙技術を含むいくつかの顧客がおり、福建省のミサイルジェットエンジンの耐熱・高温プリント材料に多少貢献しています。

これは私たちのプロジェクトの検査報告書です。3Dプリント技術、4Dプリント技術、ロボット技術も統合し、緊急管理ロボットを開発しました。緊急管理ロボットは主に私の博士課程の学生が開発しました。私たちは彼に特許をライセンスし、彼は杭州科学技術インテリジェンス株式会社を設立しました。この会社は私たちの工業情報化部の個人チャンピオンでもあり、2021年に上海証券取引所に上場しました。私たちは3Dプリントロボットも開発しました。このロボットは教えることも使うこともできます。中国が「一帯一路」諸国に推進することに重点を置いている新製品として、人々にロボットの使い方を教え、ロボットに動き方や行動の仕方を教えるロボットを開発しました。カスタマイズされた場面に適していなければならないため、3Dプリント技術を使用する方が適切です。

この会社も現在株式公開の手続き中です。私の修士課程の学生の一人が開発したもので、特許技術はすべて私たちのものです。最初の年に、この会社は杭州人工知能タウンに登録されました。最初の年に、教育と生産の両方に使用できる教育と生産が統合された製品を生産しました。そのため、企業に非常に人気があり、一度購入すればすぐに使用できます。これがこの会社の強みです。購入後すぐに使用できます。初年度は100台、2年目は300台、3年目は500台を生産しました。500台を生産した時点では、面積とスペースが足りませんでした。そこで杭州市は率先して工場と研究開発棟の建設を申し出ました。今年10月、北京市宜荘で世界ロボット大会が開催されました。当社も展示会を予約し、当社が開発した最新のヒューマノイドロボット3台を展示しました。とても衝撃的でした。ヒューマノイドロボットは、コカコーラやスプライトなど、お客様のニーズに応じてさまざまな飲み物を来場者に提供できます。

この展示ホールでは、超大型の低エネルギー設備、ハイエンドのCNC工作機械などにデジタル、ネットワーク、インテリジェント技術を適用し、多くのデジタル企業のデジタル変革の実現を支援してきました。また、広東省の企業、3Dプリントの同僚、積層造形の各分野の専門家が杭州と浙江大学に来て技術交流やプロジェクト協力を行う機会を歓迎します。私の報告はこれで終わりです。皆さん、ありがとうございました！

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