概要: 4D プリント技術の進歩! 4D プリントについて知りたいことはすべてここにあります。

周知のとおり、従来の付加製造技術 (3D 印刷) と比較して、4D 印刷技術 (4 次元印刷) では時間の次元が追加されます。 4Dプリンティング技術を使用して作成された構造物は、外部環境（光、熱、磁気、電気など）の変化に応じて形状や形態を変えることができます。4Dプリンティングは幅広い応用の可能性を秘めています。最近、北京航空航天大学の研究者らが4Dプリント技術の現状、研究成果の応用展望、既存の問題点などを整理しました。Antarctic Bearをフォローして続きをお読みください。

4Dプリントの紹介とコンセプト

4Dプリンティングは、3Dプリンティングをベースに、外部環境（電界、磁界、温度、湿度、pHなど）の変化に対応できるスマート材料を使用します。あるいは、特定の印刷プロセスを使用して、印刷された部品を外部刺激に反応させ、その幾何学的寸法と内部構造を変更することもできます。

2013年のTEDカンファレンスで、ティビッツ氏らは柔らかい円筒を水に浸したところ、円筒は水中で自動的に曲がって変形し、特定の形状を形成しました。 4Dプリンティングに関するこれらの成果は研究者から広く注目を集め、4Dプリンティングに関する多くの研究が登場し始めました。まとめると、3D プリントと比較して、4D プリントの追加次元は主に時間次元を指します。結果は、印刷された製品が外部環境（温度、湿度、電流、磁場など）によって刺激されると、印刷された製品の形状やその他の形態が変化することを示しています。 4D 印刷技術に関する現在の研究は、主に変形能力に焦点を当てています。外部刺激に応じて要素を印刷する従来の方法では、通常、センサー、プロセッサ、アクチュエータの 3 つの部分が必要です。 4D プリントされた部品自体は、サーボ駆動装置を必要とせずに外部刺激に反応できるため、構造の複雑さと重量が軽減されます。

4D プリンティングでは、さまざまな特性を持つ形状記憶材料を使用することで、外部環境の変化に対するコンポーネントの応答を実現できます。この反応は、外部刺激が材料に与える「駆動」効果です。 4Dプリンティングの研究は、主に外部刺激に反応できるスマート材料の開発に焦点を当てています。現在、4Dプリンティングで広く使用されている材料には、形状記憶ポリマー、天然繊維、形状記憶合金などがあります。材料のインテリジェントな特性と強化された製造技術を組み合わせることで、外部刺激に対する総合的な製品応答を実現できます。 4Dプリンティングは、印刷された部品が外部刺激にどの程度反応するかによって、水、熱、磁気、電気、光などのさまざまな駆動方式に分けられます。

1. 水駆動4Dプリント

水駆動型 4D プリント部品は通常、駆動成分として水にさらされると体積が変化する材料と、マトリックス成分として親水性材料で構成されます。駆動成分が水分子と結合すると体積が変化して変形します。たとえば、親水性ポリマーは水に触れるとハイドロゲルを形成し、体積が劇的に増加します。また、セルロースは水分子と結合すると膨張します。マトリックスの駆動成分が変形すると、最終的には水性環境における全体構造が変形します。水駆動4Dプリンティングを実現する上で考慮すべき主な課題は、膨潤異方性を持つ印刷材料の準備と、水性環境において方向ごとに異なる膨潤特性を持つ印刷材料の設計です。

水駆動型 4D 印刷技術の印刷材料は製造が比較的容易で、複雑な印刷装置を必要としません。大きな変形を実現できます。人体や水中ロボットなどの分野への応用が期待されています。しかし、水に反応するスマート材料を使用したコンポーネントは水環境に大きく依存するため、遠隔かつ正確な制御を実現することは困難です。水力駆動 4D プリントの用途は他にもたくさんあります。記事の最後にあるリンクをクリックすると、それらを見ることができます。

3Dプリンターと部品変形プロセス2. 熱駆動4Dプリンティング

熱駆動型 4D 印刷技術は、温度を調整して部品の変形を制御することで、形状記憶材料を活性化します。通常、熱刺激に反応できる熱可塑性形状記憶ポリマーまたは形状記憶合金が、熱作動型 4D プリント材料として使用されます。中でも、熱駆動形状記憶ポリマーは形状記憶合金よりも作製が容易であるため、熱駆動4Dプリント技術の研究に広く使用されています。熱駆動型形状記憶ポリマーの形状記憶機能は、温度刺激下での分子鎖成分のガラス転移または融解転移に由来します。熱駆動型 4D プリント部品の典型的な製造プロセスは、まず、付加製造技術を使用して初期形状の部品を製造します。次に、部品がポリマーのガラス転移温度 Tg を超えたら、部品を初期形状から一時形状に調整し、一時形状を維持してガラス転移温度以下に冷却し、一時形状を安定させます。再びガラス転移温度以上に加熱すると、部品は元の形状を復元し、形状記憶機能を実現します。
加熱後のスキャフォールドの形状変化プロセスは、形状記憶材料と基板間の熱ひずみの差に基づいています。Wang らは、加熱時に 2 つの材料によって生成される異なる熱ひずみを利用して、印刷された繊維に対して垂直な曲げ変形を生み出しました。グリップ機構は「手のひら」と「指」で構成されています。「手のひら」は、3 本の「指」が取り付けられたプレハブ構造です。加熱すると3本の指が曲がり変形し、対象物を掴みます。
4D プリントされた「指」が掴む動作を実現温度が変化すると、ほとんどの熱駆動型 4D プリント部品は全体として変形しますが、実際のアプリケーションでは通常、部品の局所的な変形を制御する必要があります。 Teohらは局所的な変形を実現できるコンポーネントを研究しました。 3層の花びらには、ガラス転移温度の異なる形状記憶ポリマーが使用され、花の層状の開花といくつかの成分の簡単な制御が実現されています。より正確で柔軟な制御には、電気、磁気、その他の駆動方法の組み合わせが必要です。
3 層の花びら開花プロセスの熱駆動 4D プリント部品は、一時的な形状を安定して維持でき、温度を制御することで一時的な形状を調整できるため、部品に異なる機械的特性を持たせることができます。 Taoらは、熱駆動型形状記憶ポリマーの一時的に形状を調整できる特性を利用し、それをメタマテリアルの微細構造設計と組み合わせて、調整可能な形状、弾性率の大幅な変化、および再利用性を備えたスマートな多安定メタマテリアルを作成しました。この新しい素材は、ソフトロボットや形状変化翼など、多くの分野で利用できる可能性がある。 Liu らは、温度変化を感知して機械的特性を変えることができる、熱駆動型形状記憶ポリマーをベースにしたゼロポアソン比のメタマテリアルも開発しました。 Hassanin らは、4D 印刷技術と超弾性/形状記憶 Ni-Ti 負のポアソン比構造を組み合わせ、粉末床融合システムの 4D 印刷プロセスを使用して最適化された Ni-Ti 拡張構造を製造しました。 Bodaghi 氏は、FDM 印刷技術に基づいて、複数の次元で形状を変形できる自己折り畳みおよび自己ラッピング平面適応メタマテリアルを研究しています。 Momeniらは、ポリ乳酸材料を使用して、植物に着想を得たバイオニックスマート風力タービンブレードを研究しました。この構造は、従来のセンサー、アクチュエータ、伝達装置を必要とせず、単に励起を与えるだけで、発電用風力タービンブレードの曲げねじり結合変形を実現できます。これにより、制御の複雑さが大幅に軽減されます。実験結果によると、4D プリントされたバイオニックブレードは、平らなブレードよりも空気力学的性能が優れています。熱駆動 4D プリンティングには他にも多くの用途があり、記事の最後にあるリンクをクリックするとご覧いただけます。
4D シミュレーションのインテリジェントなブレード温度制御は、熱駆動の 4D プリントコンポーネントの応答効果と応答時間に直接影響します。周囲温度の変化は短時間で完了することが難しく、コンポーネントの応答プロセスを迅速に実現することが課題となります。

3. 磁気駆動4Dプリント

磁気駆動型 4D 印刷技術は、磁場を通じて 4D 印刷された部品を活性化し、制御します。これを実現するには、直接応答と間接応答という2 つの主な方法があります。直接応答法では、磁性粒子を混合したマトリックスを一時的な形状に固定し、磁場内に配置します。磁場は磁性粒子内の磁区を変化させます。同じ磁場を再度印加すると、マトリックス内の磁性粒子の磁場が印加された磁場に反応し、形状記憶が実現します。間接応答方式は、磁場内の磁性粒子の磁気熱量効果に基づいており、熱を利用して素子を駆動します。この方法は、熱駆動方式の変形です。

Caputo らは、バインダージェット 3D 印刷技術を使用して、Ni-Mn-Ga 磁性形状記憶合金メッシュ部品の積層造形を研究しました。 Zhuらは、軟磁性粒子を含む複合印刷インク材料を研究した。この材料は、柔軟なマトリックス成分としてポリジメチルシロキサン（PDMS）を使用しており、形状回復機能を実現しています。PDMS/Feインクで作られた蝶のサンプルの羽は、外部磁場の中で素早く羽ばたくことができ、変形プロセスは0.7秒以内に完了します。熱駆動材料や水駆動材料に比べて応答速度がはるかに速く、磁気応答デバイスへの応用の可能性を示唆しています。
バイオニック蝶の羽の変形プロセス外部磁場中でサンプルを変形させるために、篠田らは磁性粉末を分散させた紫外線硬化ゲル材料を使用しました。処理中に磁場を適用して、固化した部分に磁気異方性を生み出しました。最終的に、研究者たちは、狭い範囲内で移動できるワームのようなソフトドライブと人工繊毛を作製しました。磁性粒子に加えて、磁場内でのイオン移動の原理も、4Dプリントされたコンポーネントの駆動に使用されました。 McCrackenらは、直接インク書き込み（DIW）技術を使用してハイドロゲル内のイオン勾配を制御し、海洋生物を模倣した構造を印刷し、イオンバインダーの価数を選択的に制御することで空間的な構造変化を実現し、局所磁場の存在下で活性化できる4Dプリント構造を生成しました。磁気駆動 4D プリントの用途は他にも多数あります。記事の最後にあるリンクをクリックすると、それらをご覧いただけます。
磁場内での 4D プリント部品は海洋生物の変形をシミュレートします。熱駆動であれ水駆動であれ、外部環境に大きく依存するため、4D プリント技術の発展にはある程度の制限があります。磁気駆動は熱駆動や水駆動に比べて環境への依存度が低く、特定の「遠隔制御」を実現し、非接触の熱変形を引き起こします。同時に、磁場を素早く変更および切り替えることができるため、磁気駆動の 4D プリント部品は通常、応答速度が速くなります。

4. 電動4Dプリント電動形状記憶効果は主に電流の抵抗加熱効果を利用します。電熱効果のある材料（電熱線、導電性フィラーなど）を埋め込むことによって。この部品では、加熱材料に通電すると形状記憶効果が活性化されます。この駆動方法の利点は、外部の周囲温度を変更する必要がないため、加熱効率が高く、応答速度が速いことです。加熱した材料を配置することで、部品の局所的な変形を制御できます。

Zeng らは、FDM の原理に基づいて、炭素繊維強化ポリ乳酸形状記憶複合材料(CFRSMPC) を使用して 4D プリントされた部品を製造しました。炭素繊維は補強材であると同時に熱源でもあります。試験結果によると、4DプリントされたCFRSMPCは75秒以内に電気誘起形状記憶効果を完了し、試料の形状回復率は95％を超えており、抵抗加熱法が安定しており実現可能であることを示しています。電気駆動の原理に基づいて、Shaoらは銀ナノワイヤ（Ag-NW）をポリ乳酸（PLA）に埋め込み、電気駆動の4Dプリント複合材料を準備しました。 Ag-NWS 金属ワイヤは、複数回の伸張および曲げ変形後も良好な導電性を維持します。電動 4D プリントには、他にも多くの用途があります。記事の最後にあるリンクをクリックすると、それらの用途を見ることができます。
4DプリントされたCFRSMPCプレートの形状回復プロセスは、寒冷環境での動作をつかみます
5. 光駆動型 4D プリンティング光駆動型 4D プリンティングとは、光を励起源として使用して、 4D プリントされたコンポーネントの構造や外観を変更することを指します。レンドラインらは、紫外線照射によって細長いフィルムやチューブ、アーチ、らせんなどの所定の形状に変形および固定できる桂皮酸基を含むポリマーを研究しました。 50℃に加熱しても変形が長時間安定します。異なる波長の紫外線にさらされると、常温で元の形状に戻ることができました。
変形プロセス
Amornkitbamrung らは、近赤外線 (NIR) 光活性化形状記憶ポリマーを研究し、生体材料を原料として形状記憶特性を持つ V-fa/eco ポリマーを合成しました。合成材料のコポリマーは、他のポリマーをマトリックス材料として使用する必要なく、印刷材料として直接使用できます。印刷された材料中のECOの質量分率が50％を超えると、印刷されたサンプルは、波長808nmの近赤外光の下で30秒以内に遠隔駆動され、高い回復率が得られます。電動 4D プリントには、他にも多くの用途があります。記事の最後にあるリンクをクリックすると、それらの用途を見ることができます。
近赤外光下での異なる比率のV-fa/ECO共重合体の形状回復速度。光駆動4D印刷技術により、遠隔かつ精密な制御を実現できます。しかし、この駆動方法は、部品が遮られていたり、印刷物の透明性が悪い場合には失敗する可能性が高く、その適用範囲が制限されます。

要約する

4D プリンティングの研究作業では、積層造形技術とスマート材料の深い統合を実現するために、材料科学、情報科学、機械工学、力学などの分野の専門知識を広範に統合する必要があります。 4D プリント技術の究極の目標は、特定のインテリジェント機能を備えた構造物を直接製造し、それによって構造物の複雑さを簡素化し、構造物の重量を軽減することです。これは、構造物のインテリジェント性を向上させる上で非常に重要です。現在、4Dプリンティング技術は、ソフトロボット、航空宇宙、バイオメディカル、食品開発などの分野で大きな応用可能性を示しており、科学技術の進歩と研究の深化に伴い、4Dプリンティング技術は上記の分野でさらに広く使用されるようになるでしょう。

注：この記事の内容は若干調整されています。必要に応じて原文をご覧ください。出典： Jiangbo BAI、Guangyu BU。4Dプリンティング技術の進歩[J]。Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology、2022、2(1): 2022001。doi : 10.51393/j.jamst.2022001

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