韓国のソウル国立大学の研究者はペンを使って4Dプリントを行っている

はじめに: ペンで描くというと、まず頭に浮かぶのは、シンプルで安価、そして直感的な 2 次元 (2D) の製造方法です。積層造形技術の普及に伴い、3Dプリントペンの登場により、3Dで簡単に描画できるようになり、3Dプリントの敷居がさらに下がりました。そこで疑問なのは、3D プリントペンで使用される溶融フィラメント製造技術を排除し、2D の絵画を 3D の幾何学的形状に直接変換する新しい 4D の絵画方法を見つけられるかどうかです。
△4Dプリントプロセス Antarctic Bearは、2021年3月24日にScience Advances誌に記事が掲載されたことを知りました。韓国のソウル国立大学の研究チームは、従来のペンを使用して4Dプリントオブジェクトを作成することを実証し、製造プロセスを簡素化する新たな可能性をさらに提案しました。記事によると、研究者たちはインクペンを使って2Dの絵を描き、その後、化学的浸漬によって2Dの絵を3Dの幾何学的形状に変換したという。
△（A）4Dプリンティングの概念図。ペンベースの 4D プリントでは、グラフィックスを 2D から 3D に変換することで、シンプルで直感的な 3D 製造が可能になります。 (B) 4D印刷プロセス。インクが乾燥すると疎水性の膜が生成されます。モノマー溶液に浸すと、STAT を使用して 2D イメージが 3D 構造に変換されます。モノマー溶液に3分間浸漬した後、変形した3D形状をSCIRPで固定しました。 (C) STATおよびSCIRPメカニズム。適用されるインクの種類によって、構造が浮いているか固定されているかが決まります。乾燥したインク膜の 3D 構造の周囲にポリマーコーティングが生成され、構造が強化されます。 (D) 水位に応じて 2D から 3D への変換を示す連続ビュー。 SCIRP は、KPS イオンを含むモノマー溶液を使用して 3D 構造をさらに固定することができます (右)。スケールバー: 5 mm。画像提供: ソウル国立大学。
研究チームは、2D図面を溶液に直接浸すことで3D構造を直接製造できる「ペンベースの4D印刷」技術を開発したと主張している。この方法は、表面張力を利用して選択的なインクの剥離とインク膜の浮上を駆動する変形メカニズムに基づいており、表面張力支援変形 (STAT) と呼ばれます。研究者らは「準3D印刷技術」を使って2D平面に絵を描いた。絵を描くのに使われたインクはポリビニルブチラール（PVB）と呼ばれる物質だ。この物質は乾燥すると疎水性の膜を形成し、水溶液に浸すと表面張力により滑らかな表面から剥離して溶液の表面に浮きます。形状変化のプロセスをさらに制御するために、研究チームは、水に浸しても部分的に固定されたままになるインクも開発しました。水を過硫酸カリウム (KPS) を含むモノマー溶液に置き換えると、PVB でコーティングされた領域が重合し、モデルを溶液から取り出しても所定の位置に固定されたままになります。このプロセスは、表面触媒開始フリーラジカル重合 (SCIRP) と呼ばれます。
△（A）浮上インクとアンカーインクの構成。界面活性剤の存在によって、PVB フィルムの浮遊性能が決まります。 (B) PVBフィルムの破壊は、インク中のPVBと可塑剤の比率に依存します。 (C) 自動印刷システムと組み合わせた図面により、正確な図面作成と大量生産が可能になります。 (D) 異なる水位高さでの連続変換とシミュレーションによる変換結果の比較。 (E および F) ペンベースの 4D プリントのスケーラビリティ。 (E) ミリメートルスケール。 (F) 計器のスケール。スケールバー: 5 cm (C) および 2 cm (D)。画像提供: ソウル国立大学。
つまり、チームは、アンカーインク、フローティングインク、および材料を所定の位置に硬化させる KPS ソリューションを使用して、2D グラフィックスの 3D プロパティを制御する方法を実証しました。このアプローチを拡大することで、従来の 3D 印刷技術よりも高速な大規模な 3D 製造プロセスが可能になります。改良された 2D プリンターを使用すると、一度に大量のモデルを製造できます。
△（A）様々な基板への4Dプリント。曲面上にも 3D 構造を製造できます。（B）「インポッシブルボトル」の構築のデモンストレーション。柔軟な PDMS フィルムに描画することで、従来の 3D プリンターでは不可能だった限られたスペース内で現場で 3D アーキテクチャを再構成できるようになります。 (C) 迅速なプロトタイピングと大量生産のための R2R ベースの 4D プリンティング。 R2R 処理によって製造された製品の定量分析を図 1 に示します。スケールバー: 2 cm。画像提供: ソウル国立大学。
デモンストレーションでは、研究者らはペンプロッタ Axidraw を使用して、高い再現性と精度で 2D オブジェクトを自動的に作成しました。描かれた物体は環境の変化に応じて3Dになるため、研究チームはこのプロセスは4Dプリンティングの一種とみなせると述べた。このプロセスは、ガラス、プラスチック、ポリジメチルシロキサン PDMS、石、葉など、さまざまな基板に適用できます。これは、薄くて柔軟な PVC 基板上に 3D ジオメトリをバッチ生産するためのロールツーロールプロセスにも適用されます。研究チームはまた、磁性材料を使用して、磁気駆動のソフトロボットの設計をテストしました。研究者たちは、この技術によって3Dプリントの欠点のいくつかを克服し、印刷された物体の現場での製造と即時の修正が可能になると考えている。
△磁性材料

参考: 1. ペン画の 2D から 3D への直接変換
2. ソウル国立大学の研究者によるペンを使った4Dプリント

韓国のソウル国立大学の研究者はペンを使って4Dプリントを行っている

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