東京大学の研究者が、より効率的で持続可能な製造のための新しい 4D プリンティング手法を開発

東京大学の研究者らは、2Dプリンティング、折り紙、化学を組み合わせて、材料の無駄を一切出さずに迅速な3Dオブジェクトの製造を実現する新しい方法を発表した。

4D プリンティングとして知られるこの方法は、独特の 3D 製造アプローチを導入し、限界を克服し、さまざまな業界に興味深い展望を開く可能性を秘めています。 生産時間の延長と材料の無駄につながる従来の層ごとの 3D プリンティング技術とは異なり、研究者らは 4D プリンティングからインスピレーションを得ました。 ここでは、独特の特性を持つ材料が特定の条件下で複雑な 3D 形状に自己折り畳みし、その変化の重要な側面として時間を活用します。

「私たちの最大の課題は、ハードウェアと材料の選択肢を絞り込むことであり、最終的な選択肢に絞り込むまでに 1 年以上かかりました」と東京大学大学院工学系研究科電気系情報システム専攻の鳴海香弥特任助教は語ります。 「しかし、すべての試行錯誤はそれだけの価値がありました。 同じ基本的なアイデアに基づいた以前の研究と比較して、出力解像度が 1,200 倍向上しました。これは、作成できる設計が単なる目新しいものではなく、実際のアプリケーションに使用できることを意味します。 将来的には、機械やその他の機能デバイスを実現できる導電性インクや磁性インクなどの機能性材料を探索する可能性があります。」

迅速かつ無駄のない製造のための新しい方法

この技術の中心となるのは、UV 反応性材料を処理するように設計された特殊なインクジェット プリンタです。 これらのプリンターはコストが高くなりますが、メーカー コミュニティや共有ワークショップで簡単に入手できます。 このプリンターは、熱収縮プラスチック シートの両面に 2D 折り紙のデザインを正確に適用します。 さらに、印刷プロセスで使用されるインクはその後の収縮中に影響を受けず、乾燥後も柔軟性を維持します。 両側のインクのセクション間に戦略的に隙間を組み込むことで、デザイナーはシートの折り方向を正確に制御できるようになります。

自己折り畳みプロセスは、平らなシートを熱湯で加熱することによって引き起こされます。 この熱暴露の結果、ベースシートは収縮します。 このプロセスでは、収縮に対する耐性を示すインクが重要な役割を果たし、材料が自然に折りたたまれて複雑な折り紙のような構造になります。

「私のチームと私は、アクセス可能なツールとマテリアルを使用して自己折りたたみ 4D オブジェクトを作成する方法を発見しました」と、Narumi 氏は付け加えました。 「基本的に、私たちは折り紙のパターンが描かれた平らなシートを作成していますが、これらのパターンは複雑になる場合があり、熟練した折り紙アーティストでも形成するのに何時間もかかります。 しかし、私たちの特別なプロセスのおかげで、これらの平らなシートに熱湯を注ぐと、数秒のうちに複雑な 3D 形状に跳ね上がる様子を観察することができます。」

研究者らは、さまざまな用途におけるこのユニークな技術の大きな可能性について熱意を表明しています。 中でもファッション業界は、特にオーダーメイドのデザインにおいて、材料の無駄に悩まされることが多いため、恩恵を受ける立場にあります。 4D プリントされたアイテムを平らなまま輸送できるこの技術の能力は、物流や保管の障害に対処するための魅力的な解決策を提供し、災害復旧状況に対する実用的なオプションとなります。 医療機器などの必需品を平面形状として印刷し、現場で完全に機能する 3D オブジェクトに変換できます。

研究者らの述べたように、4D プリンティングプロセスは現在継続的な探索と開発が行われており、迅速かつ無駄のない製造が現実になる可能性のある将来への洞察を提供しています。 研究者らは、その実用化と多様な業界への影響を「熱心に期待している」と述べた。

4D プリンティング: 3D 製造の次のフロンティア

中国の天津大学の研究者が、独立して移動できる自走式ソフトロボットの4Dプリントに成功した。 液晶エラストマー材料で作られたこのロボットは、熱にさらされると自己集合するチューブ状の構造を特徴としていました。 研究者らは、巧妙にプログラムされた折り畳みパターンによってロボットの体内に歪みを引き起こし、丸太と同じように回転できるようにした。 注目すべきは、この 4D プリントされたソフト ロボットが、平坦な表面の横断、20 度の傾斜の上昇、自身の質量の最大 40 倍の荷物の運搬に成功するなど、優れた能力を示したことです。