扁策と小曉が奥飛寺からレポート | QbitAI公式アカウント

3D プリントについて考えるとき、最初に思い浮かぶ欠点は何でしょうか?

速度が遅く、精度が低く、印刷されたオブジェクトは非常に壊れやすく見えます。

現在、最新の 3D 印刷技術により、これらの欠点は問題ではなくなりました。

ドイツのチームは、 25マイクロメートル（人間の髪の毛の直径の半分以下）という高精度で、これまでの最速技術の10倍となる数秒で3Dプリントを完了できるようになりました。

わずか数秒で 3D 画像を印刷できます。

ベルリンのランドマークであるブランデンブルク門の印刷にはわずか 68 秒しかかかりません。

車輪と車軸を一緒にプリントアウトすることもできるので、後から組み立てなくても動作させることができます。

印刷されたオブジェクトが壊れやすいことを心配する必要はありません。ハンマーで強く叩いても簡単には壊れません。

速度、精度、安定性がこの 3D プリント技術の最大の特徴です。

この研究の成果は、ネイチャー誌の最新号に掲載されました。

映画『スタートレック』には、「レプリケーター」と呼ばれる装置が登場します。これは数秒で別の物体を複製することができます。

材料科学の進歩のおかげで、これらのSFデバイスは私たちが想像するよりも現実に近づいているかもしれません。

従来の3Dプリントの欠点

従来の3Dプリントはなぜ遅いのでしょうか？主な理由は、一度に1つのレイヤーしか印刷できないからです。

一般的な3Dプリンターは、ノズルから樹脂を噴射し、それを層状に積み重ねて造形します。1つのオブジェクトを印刷するのに、通常は数時間、場合によっては数日かかることもあります。

この方法で印刷される材料の精度は、プリントヘッドのサイズによって影響を受けます。

プリントヘッドが大きいほど印刷精度は低下し、プリントヘッドが小さいほど精度は向上しますが、印刷速度は低下します。

さらに、この「クレープケーキ」に使用されている印刷方法により、層がしっかりと接着されておらず、見た目にも「層」が目立ちます。また、外力を受けると層が剥がれやすくなります。

その後、Carbonという3Dプリントのスタートアップ企業が、速度を大幅に向上させるまったく新しい技術を開発しました。

2015年にサイエンス誌に発表された論文では、従来の3Dプリントよりも最大100倍高速な「連続液体表面生成（CLIP）」と呼ばれるこの技術が初めて実証されました。

CLIP は一度に 1 つのレイヤーを印刷できるため高速です。

この技術は写真撮影に似ています。紫外線を液体樹脂の表面に照射し、硬化させます。硬化した樹脂層を液体から引き出し、別の断面を撮影し、オブジェクト全体を印刷します。

速度の問題は解決されましたが、まだ 1 つの問題が残っています。それは、印刷材料が 1 枚でなければならないことです。

例えば、記事の冒頭で示したベアリングは車輪と車軸が別々になっており、CLIP技術はこれに適していません。また、従来の3Dプリント技術では、下図のような「小さなボールがケージに入った」タイプのベアリングの作製にも苦労していました。

さらに、CLIPの印刷速度は大幅に向上しましたが、大量生産にはまだ不十分です。例えば、靴底の印刷には依然として数十分かかります。

彫刻は別の光線を使用してライトシート上で行われます。

そこで科学者たちは、レーザーを使って液体上に目的の物体を「彫る」という新しい方法を考案した。

この液体は光条件下で化学反応を起こして固体を生成します。

しかし、光線だけを使って液体を固体に変えると、望みの形状をうまく印刷できず、直線になってしまいます。

では、2 本の光線の交差を利用するとどうなるでしょうか?

液体は 2 つの光誘起反応を経て初めて固体になることができるので、交差点を使用して液体に目的の固体形状を「刻む」ことができます。

言い換えれば、2 回目の光照射反応後に固体を生成できる液体化合物を見つける必要があります。

現在、この液体化合物(二色性光開始剤、DCPI)が発見されており、その初期化式は次のようになります。

375nmの紫外線と反応すると、この化合物（シアニン状態）に変換されます。

さて、このシアン化合物は、450 ～ 700 nm の波長の可視光と反応して固体ポリマーを形成します。

この方法はXolographyと呼ばれます。X は「cross」、Holography は「holography」の略で、交差する光線を使用して液体内の固体を「照らす」ことを意味します。

ホログラフィーは、反応速度が速いことに加え、紫外線との反応で生成されたアントシアニン化合物を回収して再利用できるという利点があります。

中央で形成されたシアニン化合物は不安定です。2回目の可視光線が照射されなければ、下の図ΔTに示すように、室温で元の化合物に戻り、熱半減期はt1/2 = 6秒です。

しかし、2本の光線を交差させる方法を直接使用すると欠点があります。

下の図は、DCPIの初期化合物、反応後のシアニン化合物、そして2つの波長の光に対する反応の吸光度を示しています。黒い曲線は初期化合物、青い曲線はシアニン化合物を表しています。

図からわかるように、シアン化合物は可視光と反応して固体ポリマーを形成するだけでなく、可視波長を超える光（紫外線を含む）を吸収して光開始反応を起こすこともできます。

したがって、このアントシアニン化合物の保存を確実にするために、紫外線にさらすことができるのは 1 回だけです。

この目標を達成するために、研究者らは「光シート法」と呼ばれる方法を開発しました。これは、375nmダイオードレーザーのガウスビームを発散レーザービームに変換し、それを平行化して印刷体積の中心に焦点を合わせ、完全な紫外線光シートを形成するものです。

光の回折により、最初に形成された化合物は、液体中で「中央が狭く、両側が広い」形状を示します(画像の青い領域に示すように) 。

次に、可視光をサンプルの正面から垂直に照射し、固体ポリマーを形成します。

中央の最も狭い部分の幅によって、この 3D プリント技術の解像度が決まります。

この「光シートを別の光線で刻む」方法を使用することで、光シートに沿った励起不均一性を13%未満に抑えることができ、非常に安定しています。

現在、研究者たちは、この化合物を最適化して、最大限の光学的透明性と高い粘度を確保しながら、急速な重合能力を向上させることに取り組んでいます。

この驚くべき 3D プリント技術は、ブランデンブルク応用科学大学の物理学者マーティン・レーゲリー氏を含むドイツの科学者グループによって開発されました。

△マーティン・レゲリー

実際、これまでにも 3D プリントに 2 本の光線を交差させる方法を試みた人がいましたが、同じレベルの精度を達成することはできませんでした。

この技術のシステムプログラムはPythonで記述されており、Raspberry Pi 4上で動作します。レーザー、リニア軸、プロジェクターを制御し、印刷速度と精度は非常に良好です。バッチ印刷も問題ありません。

将来的にはランニングシューズの製造に利用される可能性があります。

もちろん、Xolography にはまだ一定の制限があります。

まず、樹脂内での光の浸透距離には限界があり、印刷できる物体の体積が制限されます。

この方法では樹脂を移動させる必要があるため、印刷方向の移動距離が長いと印刷時間も比例して長くなります。

しかし、その非常に高速な印刷速度は、実用化への有望な選択肢となっています。研究者たちはすでに、この技術を用いてカスタムメイドの運動靴のソールを製造することを構想しています。

おそらくアディダスも同様に考えているだろう。

2017年にアディダスは、Carbon3Dテクノロジーを使用してFuturecraft 4Dランニングシューズの靴底を印刷し、靴底の加工に3Dプリントを使用する実験をすでに行っていました。

このような複雑な中空ソールは従来の技術では製造できず、3D プリントによってのみ実現できます。

そこでアディダスはカーボン社に製造を依頼したが、靴底の加工には約90分かかるため、2017年にアディダスがこのランニングシューズを製造したのはわずか5,000足ほどだった。

将来、Xolography が 3D プリントされたランニング シューズに使用できれば、大量生産も夢ではなくなるでしょう。

将来的には、より低価格で最新技術を搭載した靴を履くことができるようになるかもしれません。

参考リンク:
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03543-3
https://www.nature.com/articles/s41586-020-3029-7#Sec18
http://www.mrvision.org/en/regehly.html