多材料製造を変革する革新的な3Dプリンティング技術：柔軟性と精度向上への新研究

Tokyoミズーリ大学の研究者たちは、新しい3Dプリント手法を開発しました。この方法では、プラスチック、金属、半導体といった異なる素材を用いながら、一つの機械で複雑な装置を製造することが可能です。「自由形状多素材組立プロセス」と名付けられたこの技術は、最近『Nature Communications』に発表され、製品の製造方法に革新をもたらす可能性を秘めています。

ミズー大学のチームは、異なる役割を持つ3つのノズルを備えた機械を開発しました。一つのノズルはインクのような素材を追加し、もう一つのノズルはレーザーを使って形状や素材を彫刻します。そして、最後のノズルは製品の機能を高めるために追加の機能性材料を加えます。

プロセスは次のように進みます。まず、機械はポリカーボネートのような一般的な3Dプリンティング素材を使って基本構造を作ります。その後、レーザーを使用して特定の部分を特殊な素材であるレーザー誘起グラフェンに変換し、必要な場所に正確に配置します。最後に、製品の機能性を向上させるために他の素材を追加します。

この3Dプリント技術は、センサーや回路基板、電子部品を含む布地を作成することができます。物体内にセンサーを埋め込むことで、温度や圧力の変化を検知できるものを生み出せます。たとえば、岩や貝殻のような形状のものを作成し、海流の研究に利用することが可能です。日常生活でも、この技術は血圧やその他の健康指標を追跡するウェアラブルデバイスの開発に役立つでしょう。

プリント基板の製造には多くの工程とさまざまな材料が必要です。従来の方法は費用がかかり、時間がかかり、環境に有害な廃棄物を生み出します。しかし、この新しい手法はより環境にやさしく、自然のシステムを基にしています。

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フリーフォーム多素材アセンブリプロセスは、小型部品を大きな3D構造に配置する際の柔軟性や精度が他の方法に比べて優れているため、高く評価されています。ミズーリ大学のチームは、特別な3ノズルシステムを使ってこれらの問題を解決しました。

この研究は、米国国立科学財団（NSF）の高度製造プログラムによって資金提供されています。また、NSFのI-Corps™プログラムは商業化の可能性を探るための資金も提供しています。「I-Corpsプログラムは、市場の需要を理解するのに役立っています」とリンは語りました。「今のところ、他の研究者が興味を持つだろうと考えていますが、最終的にはビジネスにも利益をもたらすでしょう。企業が社内でプロトタイプを作成できるようにすることで、デバイスプロトタイプの製作に必要な時間を減らすことができます。」

ミズーリ大学の機械・航空宇宙工学の准教授であるジアン "ジャーヴェン" リン氏によれば、これは幅広い影響を及ぼすでしょう。「ウェアラブルセンサー、カスタマイズ可能なロボット、医療機器などに影響を与えるでしょう」とリン氏は述べています。

ミズーリ大学の機械工学の博士課程に在籍している鄭柏靖さんは、新しい研究に興奮しています。「このような方法が使われるのは初めてで、新しいチャンスが生まれています」と鄭さんは語りました。「そのデザインに興味があります。いつも何かユニークなことをやりたかったので、ここミズーリでそれが実現できます。」

ミズーリ大学のチームが、新しい3Dプリンティングプロセスを開発しました。このプロセスにより、プロトタイプを作成せずに新しい製品のデザインが容易になり、さまざまな分野での市場の革新をもたらす可能性があります。