4Dプリンティングは、現在の製造技術をどのように破壊するのでしょうか？

2013年4月、MIT Self-Assembly Labの創設者であるSkylar Tibbits氏は、TEDxカンファレンスで、3Dプリントプロセスに新しい概念を導入することを主催しました。 すでに多くの分野を破壊しているこの技術に、初めて4つ目の次元を導入したのです。 4Dプリンティングとは、3Dプリンティングに使用される素材に新しい機能を追加するようなもので、より正確には、時間とともに変形する素材の能力であると説明しました。 実際、4Dプリントのおかげで、材料は、人間の介入なしに、光、熱、振動などの外部要因の影響を受けるだけで勝手に形を変えることができます。

それ以来、4Dプリントは、デバイスや構造のカスタマイズに大きな可能性を感じている多くの業界の関心を集めています。 2019年のガートナーレポートによると、4Dプリンティングへの関心は高まっている。 2023年までに、この技術に注力するスタートアップは、3億ドルのベンチャーキャピタルを集めるはずです。 だから必然的に、この観測に直面すると、4Dプリンティングの未来はどうなるのだろうかと考えることになる。 4Dプリンティングは、アディティブ・マニュファクチャリングに取って代わるのでしょうか？

この3Dプリントされた物体は、外的要因によって徐々に形状が変化していきます。 つまり4Dプリントされた物体である｜Credits: Self-Assembly Lab

4Dプリントの仕組み

4Dプリントは、自己組織化の原理から強くインスピレーションを受けており、これは新しい概念ではありません。 分子の自己組織化とは、分子が人間の手を借りずに複雑な構造を形成することで、皆さんも聞いたことがあるのではないでしょうか。 これは、ナノテクノロジーなどでも広く使われている概念です。 4Dプリンティングは、この原理をさらに発展させたものです。

3Dプリントでは、決まった形のオブジェクトを作りますが、4Dプリントでは、形だけでなく、色やサイズ、動きなども変化させることができます。 この業界では「インテリジェント」マテリアルと呼ばれる材料を使用します。これは、コンピュータがコードに従うように、外部要因（多くは温度）の影響を受けて形状が変化するようにプログラムされたものです。 この「コード」を材料に付加することで、3Dプリントされた部品に指示を与えることができるのです。 プロセス技術研究所NeptunLabの社長であるBastien E. Rappは、次のように説明します。 「4Dプリンティングは、3Dプリンティングの機能的な形態です。 物理的な構造を印刷する代わりに、機能を印刷することができるようになりました。 7201>

4Dプリントの材料と技術

4Dプリントの材料は、技術がまだ初期段階にあるため、積層造形材料ほど多様ではありませんが、さまざまなものがあることを知っておくことが重要です。 まずは形状記憶ポリマー（SMP）から。マクロな形状を記憶して一定時間保持し、熱の作用で元の形状に戻り、一切の変形が残らない材料である。

もうひとつの 4D 印刷材料は液晶エラストマー (LCE) で、その名前が示すように、熱に敏感な液晶を含んでいます。 その名の通り、熱に弱い液晶を含んでおり、その配向を制御することで、所望の形状をプログラムすることが可能です。 温度の影響を受けると、指示されたコードに従って材料が膨張・変形します。 3つ目の材料はハイドロゲルです。ハイドロゲルは主に水で構成された高分子鎖で、特に光重合プロセスで使用されます。

4Dプリントのプロセスの中には、複数の材料を使用するものがあります。 それは主に、炭素繊維や木質繊維などのSMPやハイドロゲルに添加される複合材料です。 MIT Self-Assembly Labは、マルチマテリアルのプロセスであるマテリアルジェッティングの原理に基づいて、Stratasys Connexマシンから4Dプリントの研究を開始しました。 もちろん、たとえばセラミックなど、他の4Dプリント材料もありますが、私たちは主要なものに焦点を当てることにしました。

Credits: Self-Assembly Lab

最後に、4Dプリントのプロセスはすべて材料に宿ります。 したがって、ある刺激に対して材料がどのように反応するかを理解する必要があります。 Bastien E. Rapp氏は、”4Dプリントを容易にするためには、材料に関する非常に優れた知識が必要である “と説明しています。 これがうまく統合されれば、さまざまな3Dプリント技術を使うことができます。立体造形、マテリアルジェット（すべてのマルチマテリアルに対応）、溶融フィラメント製造（ポリマーを扱う）などがあります。 多くの場合、使用する3Dプリンターは、4次元を考慮した改良型です。 Bastien E. Rappは続けます。 「4次元の複雑さにもよりますが、2つの素材を並行してプリントすることで、簡単に4次元を表現することができます。 また、製造工程で材料を加熱したり冷却したりする場合もあります。 7201>

4D 印刷の応用

インテリジェントな材料を思い通りにプログラムすることができるため、4D 印刷の応用は非常に広範であるように思われるかもしれません。 どんな形にもなる物体を想像してみてください。その技術は、気候条件に適応する構造を構築する建設部門に影響を与え、消費財は人々のニーズに適応し、さらには医療部門などにも応用できるでしょう。 スカイラー・ティビッツの最初のアイデアのひとつは、4Dプリンティングでインテリジェントなパイプを作るというものでした。 このパイプは、水量に応じて形を変えるだけでなく、地下で何らかの現象が発生したときにも形を変えることができる。 7201>

4Dプリンティングに最も関心を寄せている分野の1つは、間違いなく医療分野です。 4Dプリンティングによって、オーダーメイドのインテリジェントでスケーラブルなデバイスを作ることができるようになるかもしれません。 例えば、インプラントを4Dプリントすることで、患者が組み込んだ後の状態や生存率を管理することが容易になります。 同じことが、すべての再生医療や細胞構造の製造に当てはまります。 4Dプリンティングを使えば、例えば、人体の温度に合わせて細胞を適応させることができるようになるかもしれません。 現在、3d.FABで卒論を準備しているクロエ・デヴィラールさんは、こう説明してくれた。 「私たちは、生体を修復するために、組織工学や再生医学の分野で4Dプリンティングの応用に取り組んでいます。 特に、生理学、機能、力学の面で現実に近い血管を再現するために使っています。 生体に限りなく近い構造を作ることができます」

3d.Fab は現在、血管を作るための4Dプリントプロジェクトに取り組んでいます｜Credits: 3d.Fab

最後に、患者の体温に応じて物質を放出できる4Dプリントされた薬剤を想像してみてください。 これはMITにおけるFang博士の研究プロジェクトの一つであると彼は説明する。 「体温をトリガーにしたいんです。 ポリマーを正しく設計できれば、熱が出たときだけ薬剤を放出する薬物送達デバイスを作れるかもしれません」

広義の輸送分野も、自動車や航空宇宙産業など、4Dプリントに関心を持っているそうです。 2018年には、BMWとMITが開発していたインフレータブル素材についてお伝えしましたが、それは空気パルスの効果で形や大きさが変化するものでした。 例えば、パンクした際に自己修復が可能であったり、最も過酷な気象条件に適応できるなど、未来のタイヤを設計するための興味深い材料です。 自動車だけでなく、航空機の話もあります。 4Dプリントされた部品は、気圧や温度の変化に反応し、機能を変化させることができるかもしれません。 航空宇宙産業の巨人は、これらのコンポーネントがヒンジや油圧アクチュエータを置き換え、これらのデバイスの重量を大幅に減らすことができると説明しています。 Self-Assembly Lab

最後に、4D 印刷は、私たちのニーズに従って材料をプログラムすることができるので、高度なカスタマイズが必要なあらゆる用途で、より興味深いものとなっています。 現段階では、このコンセプトは奇妙に思えるかもしれませんが、私たちの体の実際の形をした服や、折りたたんだり広げたりしてスペースを節約する家具などが想像できます。

4Dプリントの未来

将来性に満ちているとはいえ、この技術にはまだ多くの限界があります。 長期的に見ても任務を遂行できるのだろうか？ 多くの企業がこの製造工程をまだテストしており、その結果を報告しているところはほとんどない。 バスチャン・E・ラップは、4Dプリンティングにはある種の非常に専門的な知識が必要であり、それが積層造形のように民主化することをより難しくしていると語っています。 「4Dプリンティングは、非常に複雑で、材料や製造の管理も難しいため、3Dプリンティングほどには普及しないかもしれません。 しかし、それでもこの業界に大きな影響を与えるでしょう」

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