とにかく、4D印刷とは何ですか？

足に自己調整できる靴を購入したり、特定の刺激によってトリガーされたときに患者の解剖学的構造に完全に適応できる医療機器を開発したりすることを想像してみてください。これらは、4D印刷の潜在的な用途のほんの一部であり、刺激的で成長している研究分野です。

4D印刷は空想科学小説のようなもののように見えるかもしれませんが、Gartnerは、技術がまだ商業的利用可能性から少し離れているものの、2023年までに3億ドルが4D印刷に投資されると予測しています。

では、4D印刷とは正確には何であり、メーカーにどのようなメリットがあるのでしょうか。

本日の記事では、4D印刷がどのように機能するか、およびテクノロジーの現在および将来のアプリケーションについて説明します。

4D印刷とは何ですか？

4D印刷により、3D印刷されたオブジェクトは時間の経過とともに形状を変更できます。 「4D印刷」という用語は、この追加の4番目の次元である時間を指します。

新しいテクノロジーは、3D印刷技術と高レベルの材料科学、工学、ソフトウェアを組み合わせたものです。

テクノロジーは特定の刺激に反応するように特別に設計された素材を使用しているため、素材は4D印刷で重要な役割を果たします。

加工された物体を変形させる可能性のある一般的な刺激には、温度変化、光、水、磁場、および化学的要因やその他の環境要因が含まれます。

外部ソースによってトリガーされると、4D印刷されたオブジェクトは、所定の形状に折りたたんだり展開したりできるため、以下で検討するさまざまなエキサイティングなアプリケーションへの扉が開かれます。

4D印刷と3D印刷の違いは何ですか？

3D印刷は、ラピッドプロトタイピングおよび製造技術であり、材料を層ごとに堆積させて3次元オブジェクトを作成します。

基本的に、4D印刷は、3D印刷と同じ手法を使用してパーツを作成します。主な違いは、4D印刷されたオブジェクトは、印刷されると時間の経過とともに形状が変化するのに対し、3D印刷されたオブジェクトは同じ固定形式を維持することです。

4Dプロセス中に、刺激によってトリガーされたときに形状がどのように移動または変化するかについての「指示」を含む幾何学的コードが追加されます。この事前プログラミング手順により、特定の環境要因に適応できるスマートで応答性の高いオブジェクトを作成できます。

4D印刷はどのように機能しますか？

最初に4D印刷を理解するには、材料が特定の刺激にどのように反応するかを理解する必要があります。エンジニアは、この材料の挙動に関する知識を使用して、材料の構造が変化するオブジェクトを設計できます。

デジタルCAD設計に基づいて、モデルは単一または複合材料のいずれかで3Dプリントされます。

印刷プロセスが完了すると、事前にプログラムされた幾何学的コードによって、オブジェクトのさまざまな領域が特定の刺激にどのように反応するかが決まります。

このアプローチを使用すると、エンジニアは、特定の刺激によってトリガーされたときに、所定の形状をとったり、特定の方法で折りたたんだり展開したりするコンポーネントを作成できます。

プログラム可能なまたは「スマート」な材料の処理に適した3D印刷技術がいくつかあります：

• ステレオリソグラフィー（SLA）、
• 溶融フィラメント製造（FFF）、
• マテリアルジェッティング
• 選択的レーザー溶融（SLM）。

最初の3つは通常、ポリマーベースの材料で機能しますが、一般的なSLM材料は金属です。

特に、4D印刷の最近の進歩は、マルチマテリアル印刷を可能にするマテリアルジェッティング技術の進歩に大きく起因している可能性があります。この技術は、材料の液滴を噴射することによって機能し、その堆積を厳密に制御できるようにします。

4D印刷できる素材はどれですか？

これまで見てきたように、このテクノロジーは、外部トリガーによって変更できる1つ以上のプロパティを持つ特別に設計された「スマート」マテリアルを使用しています。

4D印刷材料のポートフォリオは、技術の初期段階のためにまだかなり限られていますが、4D印刷で使用できる最も有望な材料のいくつかを以下に概説します。

ヒドロゲル

ヒドロゲルは、大量の水を保持できる高分子鎖の親水性ネットワークです。ヒドロゲルは、UV硬化型3D印刷技術で使用でき、温度変化に応じて形状を変化させるようにプログラムできます。

その組成は主に水であるため、ヒドロゲルは生体適合性があり、したがって医療用途に特に適しています。ヒドロゲルは、ソフトロボティクスやフレキシブルエレクトロニクスなどのアプリケーションにも使用できます。

昨年、ラトガーズ大学のエンジニアは、人間の臓器の生体構造の作成に役立つスマートゲルを作成するための4D印刷方法を開発しました。と組織使用されている材料は？ヒドロゲル。

このアプリケーションでは、温度変化にさらされるとヒドロゲル材料の形状が変化します。この開発により、生物医学アプリケーションの促進に加えて、柔軟なセンサーやアクチュエーターなどのソフトロボティクスの新しいアプリケーションも可能になる可能性があります。

詳細については、以下のラトガーズのビデオをご覧ください。

形状記憶ポリマー

形状記憶ポリマー（SMP）は、外部刺激にさらされると、固定された一時的な形状から元の形状にシフトする機能を備えた高分子スマート材料です。

SMPは、アクティブな作動機能（メカニズムまたはシステムを移動および制御する機能）により、航空宇宙、ソフトロボット、生物医学、その他の分野でさまざまな用途に使用されています。

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形状記憶合金

形状記憶合金（SMA）はスマートな金属材料であり、SMPと同様に、元の形状の「記憶」を保持し、刺激を受けて変形した後、この元の形状に戻ることができます。

SMAは、航空宇宙、土木工学、生物医学装置など、さまざまな分野での用途があります。

セラミック

昨年、香港城市大学の研究チームは、ポリマーとセラミックナノ粒子を組み合わせた新しいセラミックインクを実証しました。

このインクで印刷された3D印刷されたセラミック前駆体は柔らかく、最初の長さの3倍に伸ばすことができます。この材料の有望なアプリケーションには、電子デバイスや航空宇宙産業内のアプリケーションが含まれます。

4D印刷のエキサイティングなアプリケーション

4D印刷は、今日の製品の製造方法に刺激的な可能性を秘めています。 4D印刷が開く可能性について詳しく見ていきましょう。

航空宇宙

外部要因に反応するインテリジェントな材料を製造する能力は、航空宇宙産業にとって重要な利点です。ここでは、4D印刷を使用して、換気、エンジン冷却、およびその他の同様の用途のための自己展開構造を作成できます。

Airbus SASは、MITのSelf-Assembly Labと協力して、温度やその他の要因に応じてエンジンを冷却するソリューションを開発するために、すでに4D印刷と協力しています。

1つの例では、エアバスとMITは、空気力学的条件に応じて変形して空気抵抗を減らすことができる空気入口コンポーネントの開発に取り組みました。

作成された吸気口は、エンジンの冷却に使用される空気の流れを自動制御できるように自動調整できます。エンジニアは炭素繊維を使用して、圧力に反応できるように材料をプログラムしました。

インレットは風洞でのテストに成功しており、将来、このタスクを実行している重い機械システムの代わりに使用できる可能性があります。

宇宙ミッションも恩恵を受けることができます4D印刷。たとえば、ジョージア工科大学の研究者は、形状記憶ポリマーを使用して、支柱で作られた構造を3Dプリントしました。この構造は一時的に平らに折りたたまれますが、熱にさらされると展開する可能性があります。研究者たちは、彼らの発明が宇宙船や形を変えるソフトロボット用のアンテナを作るために使用できると信じています。

防御

防衛産業にとっての3D印刷の利点は多岐にわたります。現在、業界はより多くのアプリケーションのために4D印刷を検討しています。

4D印刷のより有望な用途の1つは、カモフラージュを変更したり、接触時に有毒ガスや破片から保護したりできる軍服を使用することです。

研究者たちはまた、軍隊が自己組織化オブジェクトを使用する方法を模索しています。これには、自分たちで組み立てる避難所や橋の可能性も含まれます。

医療

医療分野での4D印刷の可能性は計り知れません。ここでは、この技術は、組織工学やスマートな生物医学装置から、化学療法用のナノ粒子やナノロボットの製造に至るまでのアプリケーションで使用できます。

たとえば、MITの研究者は、磁性微粒子を注入した3D印刷可能なインクを開発しました。この材料で3D印刷された構造物は磁性を帯びているため、遠隔操作が可能です。

この技術は、磁石によって消化管を介して誘導され、画像の撮影、組織サンプルの抽出、閉塞の解消、または特定の薬物の体の特定の領域への送達が可能なデバイスの作成に使用できます。 。

4D印刷の別の潜在的なアプリケーションは、組織工学にあります。この分野では、生体適合性のあるヒドロゲルを使用して、外部の介入なしに形状を変化させ機能することができる移植片やインプラントの人工皮膚を印刷することができます。

自動車

2016年、BMWは4D印刷を含むコンセプトカーの未来的なビジョンを披露しました。変化する環境条件に適応できる自動車部品を製造するために4D印刷を使用することを含む要素の1つ。

これは単なる概念でしたが、2年後、自動車メーカーはMITの自己組立ラボと協力して気圧の変化に基づいて自己調整できるインフレータブル4D構造の作成を発表しました。シリコン製のインフレータブル素材は、BMWのアダプティブデザインのビジョンを反映しています。

4D構造を利用する1つの方法は、車のシートに適応性のあるサポートと快適さを提供することです。さらには、エアバッグの形で衝撃性能を発揮することもできます。

消費財

消費者向け製品の生産は、4D印刷によって再考できるもう1つの分野です。たとえば、このテクノロジーを使用して、椅子やテーブルなどのフラットパック家具を作成できます。これらの家具は、トリガーされると自己組織化されます。

購入すると、4D印刷された家具は簡単にまとめられ、箱を開けてすべての部品を手動で組み立てる必要がなくなります。最終的には、これにより、必要な保管スペースが少なくなり、輸送が容易になる製品につながる可能性があります。

4D印刷：次の大きなことは？

4D印刷は、製造業に刺激的な可能性を開く魅力的な分野です。プログラム可能な機能を備えたオブジェクトを作成する機能は、商品の生産方法を変える可能性があります。

ただし、ここで説明するプロジェクトのほとんどはまだ調査と実験の段階にあり、テクノロジーがビジネスで商業的に実行可能になるまでには長い道のりがあります。

しかし、研究が進むにつれて、4D印刷の影響は甚大であり、さまざまな業界のアプリケーションに影響を与える可能性があります。

現実的には、4D印刷の主流のアプリケーションが登場するまでには、数年、場合によっては10年以上かかるでしょう。とは言うものの、このテクノロジーは3D印刷の進化に追随し、製造業における次の破壊的テクノロジーになると見られています。