マルチマテリアル3Dプリント部品は準備が整っており、将来の開発に大きな可能性を秘めています。

出典: アメリカ機械学会ウェブサイト著者: ナンシー・ギゲス

選択的レーザー焼結 (SLS) 技術では、レーザーを使用して金属またはプラスチックの粉末を溶かし、3D オブジェクトに融合します。生成される部品は強度と信頼性に優れています。これは業界で最も理想的な積層製造方法の 1 つですが、特定の要因により、その可能性を最大限に発揮できません。現在、コロンビア大学工学部の研究者らは、SLS 技術における最大の制約に対処し、複数の材料を使用した部品製造の新たな方向性を切り開くと期待される新しい技術を発明しました。3D プリンターは、完全に形成された複雑なシステムを直接生成します。ロボット工学の学術的背景を持つ研究者は、3D プリントを使用して、回路基板から電気機械部品、さらには完成したロボットに至るまで、さまざまなオブジェクトを直接製造する可能性を予見できるはずです。この新しい技術は、レーザーを逆さまにして、ミクロン単位の粉末材料を溶かして融合し、3D オブジェクトを形成します。
従来の SLS 印刷では、レーザーをプリントベッドの下方に向け、部品を加熱して、下から上へ層ごとに構築し、完全なオブジェクトを作成します。このプロセスが完了したら、部品をその周囲の余分な粒子の山から「掘り出す」必要がありますが、ほとんどの場合、再利用することはできません。さらに、コロンビア大学工学部の教授であり、クリエイティブ・マシンズ・ラボ（ロボット工学、人工知能、デジタル設計、製造の研究を行っている）の所長であるホッド・リプソン氏によると、この方法では印刷プロセス中に1つの材料しか使用できないため、大量の廃棄物が発生し、粉塵が多すぎて環境に悪影響を与え、粉塵爆発を引き起こす可能性もあるという。

リプソン氏と博士課程の学生ジョン・ホワイトヘッド氏の研究チームは、火薬床を完全に排除することを目指している。研究者たちは、ガラス板に熱可塑性ポリウレタンエラストマーゴム（TPU）とナイロン12ポリマーという2種類の粉末を塗布して各ガラス板上に薄い層を形成し、印刷プラットフォームをガラス板の1枚の上面に下ろしました。次に、ガラス板の下からレーザー光線を上向きに照射します。レーザーは、事前にプログラムされた仮想設計に従って、粉末の一部を印刷プラットフォーム上に選択的に焼結しました。次に、溶融材料の助けを借りてプラットフォームが持ち上げられ、別のガラス板に移動され、別の粉末の上または隣に配置され、部品が完成するまで焼結プロセスが繰り返されます。

「私たちは焼結プロセスをひっくり返し、上から下へ部品を作りました」とリプソン氏は言う。「主な利点は、焼結するたびに少量の粉末を振りかけるだけでよいため、使用する粉末の量が少なくて済むことです。第二に、複数の種類の粉末で焼結できるため、業界にとって画期的なことです。現実の多くのものは複数の材料で作られています。これが業界に欠けている部分だと思います。」

上の 2 枚の写真では、TPU (白い素材) とナイロン 12 (黒い素材) という 2 つの異なる素材が 1 つの SLS 印刷プロセスで使用されています。写真はジョン・ホワイトヘッドによるものです。
TPU とナイロンは、視覚的なコントラスト（白黒）が良好で、低出力レーザーで焼結できる（安全上の理由）ため、デモンストレーションに選択されました。研究チームは、約19mm×19mm×0.7mmの陰陽シンボルと、約25mm×32mm×0.6mmの蝶の2つのサンプルを作成した。

「標準的なSLSシステムでは、これら2つの材料を組み合わせることは不可能です」とホワイトヘッド氏は語った。

研究チームは、この技術のさまざまな潜在的な応用を構想しています。例えば、ホワイトヘッド氏は、医療用インプラントは「高度にカスタマイズされ、特定の既存の形状や生物組織に適合し、非常に強くて耐久性がなければならない。そのため、金属付加製造技術の方が適している」と述べた。次に、チームはこの技術が金属材料に適用できることを証明する必要がある。プリントに電子機器を埋め込んだり、マイクロチップを埋め込んだりする計画もありますが、これは現時点では 3D プリントが完成してからでないと実行できません。

リプソン氏は、膝や股関節のインプラントの製造においてこの技術が有利であると考えている。同氏によると、インプラントが骨より硬くなって骨折するのを防ぐために、通常、中心部分には柔らかい素材、外側には硬い素材が必要となる。「それに合わせて印刷を適応させる必要がありますが、これは非常に難しい作業です。マルチマテリアル技術はそれを実現する方法の 1 つですが、まだそこまでには至っていません。」

今後、チームはさまざまなアプローチを付加製造技術に統合したいと考えており、その展望に期待を寄せています。「現時点では、粉末や液体、あるいは押し出しプラスチック材料 (FDM、つまり熱溶解積層法) のどれを使用するかを選択する必要があります。いずれか 1 つを選んで、その方法を採用する必要があります」とリプソン氏は言います。「しかし、すべてに長所と短所があります。当社のアプローチでは、さまざまなプロセスを切り替えながら、両方の長所を活かすことで、さまざまなことを少しずつ行うことができます。SLS を使用して部品をより強くし、SLA (光造形法、別の 3D 印刷プロセス) を使用して部品をより滑らかで耐水性にすることができます。これらすべてを同時に行うことができます。これは、まだ誰も探求していない分野です。」

「私の経験では、3D プリントは誇大宣伝だと言っている人が多いです。2015 年には大流行しました。今では誰も話題にしません。しかし、この技術とそれに伴うサービスや製品に投資される金額に基づいて、成長は依然として指数関数的です。単一材料部品から複数材料部品に拡大すると、すべての話題は消え去ります。その後、より多くの方法で爆発的に成長するでしょう。」

マルチマテリアル3Dプリント部品は準備が整っており、将来の開発に大きな可能性を秘めています。

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