ほんの少しの努力で素晴らしい成果を達成できるこの輪ゴムは一体何でしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

今日の科学技術の急速な発展により、3D プリント技術は強い東風のようにあらゆる分野に吹き渡っています。複雑で精密な機械部品から本物そっくりの模型まで、幻想的な建築プロトタイプからパーソナライズされた日用品まで、無限の創造性と柔軟性を備えた 3D プリント技術は、人々の想像を現実のものに変え、私たちの生活に便利さと驚きをもたらします。

3Dプリント生産モデル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

3Dプリント技術についてご存知ですか?

3D プリント技術は、積層製造技術とも呼ばれ、材料を層ごとに積み重ねることで 3 次元の物体を構築する革新的な製造方法です。 3D プリント技術の原理は、レンガで家を建てる原理に似ており、簡単に言えば「層ごとに積み重ねる階層化製造」です。

3D プリントのプロセス全体は複雑ではありません。まず、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用してデジタル モデルが作成または取得され、次にモデルは一連の非常に薄い断面層 (つまりスライス) に切断されます。各層の厚さは通常、数十から数百ミクロンの範囲です。次に、3D プリンターは、特定の技術と材料を使用して、スライス情報に基づいて最終的なオブジェクトをレイヤーごとに構築します。

3D 印刷プロセスには、熱溶解積層法 (FDM)、光立体造形法 3D 印刷 (SLA、DLP、LCD)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、選択的レーザー溶融法 (SLM)、ステレオ インクジェット印刷 (3DP)、レイヤーバイレイヤー製造法 (LOM) などがあります。

3Dプリンターの動作

（写真提供：veerフォトギャラリー）

熱溶解積層法は、フィラメント状の熱可塑性材料をノズルを通して加熱・溶融し、プラットフォーム上に層ごとに堆積させ、最終的に 3 次元の物体に固める技術です。この技術でよく使用される原材料には、ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、PLA（ポリ乳酸）などの熱可塑性材料が含まれます。この技術は設備要件が低く、操作が簡単なため、個人や小規模スタジオでの使用に適しています。最近おもちゃ市場で人気の「にんじんナイフ」や「伸縮式剣」はこのようにして作られています。

光硬化型 3D プリントの原理は、特定の波長と形状の光を使用して感光性樹脂を照射し、感光性樹脂を層ごとに硬化させることで、目的の形状のオブジェクトを生成することです。この技術は、成形精度が高く、表面が滑らかで、微細な模型や小さな部品の製作に適しています。

選択的レーザー焼結法では、レーザー光線を使用して粉末材料をスキャンし、粉末材料を溶かして結合させ、層ごとに積み重ねて 3 次元の物体を形成します。この技術は粉末（ナイロン、金属粉末、セラミック粉末など）を原料とし、成形精度が高く、複雑な構造や機能部品の製造に適しています。

選択的レーザー溶融は選択的レーザー焼結に似ていますが、レーザーエネルギーが高く、金属粉末を完全に溶融して金属部品の迅速な試作を実現できます。この技術では、金属粉末（チタン合金、ステンレス鋼など）を原料として使用することが多く、高強度、高精度の金属部品を印刷できます。航空宇宙、医療などの分野で広く使用されています。

3D インクジェット印刷では、粉末材料 (金属または非金属) と接着剤を原料として使用し、結合メカニズムを利用して各コンポーネントを層ごとに印刷します。この印刷技術によって形成されたサンプルは実際の製品と同じ色をしており、現在では比較的成熟したカラー 3D 印刷技術です。

積層体製造は、薄いシート状の材料（紙、プラスチックフィルムなど）とホットメルト接着剤を原料とし、レーザー切断と熱接着により必要な物体を層ごとに積み重ねていきます。この技術は成形速度が速く、材料コストが低いため、大型構造物やシェルの製造に適しています。

3Dプリント技術は比較的成熟しており、製品の復元度も高いのですが、印刷原材料の制限により、3Dプリント製品は非常に脆く、外力によって簡単に壊れてしまいます。このタイプの製品は、機械的な性能要件が高いシナリオで使用すると、やや「無能」になるようです。では、3D プリント製品の壊れやすい性質を改善し、「見た目の美しさ」と柔軟性の両方を実現するにはどうすればよいでしょうか。

2024年7月3日、中国の科学者たちは、3Dプリントされたエラストマーに関する研究結果をネイチャー誌に発表した。この技術で作られた輪ゴムは、自身の長さの9倍まで伸ばすことができ、最大引張強度は94.6MPaに達します。これは、1平方ミリメートルあたり約10キログラムの重力に耐えられることに相当し、超高強度と靭性を示します。

研究結果はネイチャー誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャー誌）

この輪ゴムの何が特別なのでしょうか?

光硬化型 3D プリントのプロセスでは、生産効率を向上させるために、より速い成形速度が求められることが多く、これにより材料の架橋密度が増加し、硬化プロセス中の材料の靭性が低下します。材料の靭性を高める従来の方法では、材料の粘度が増加し、流動性が低下し、成形速度が低下します。 3D プリントの成形速度と完成品の強度との間の矛盾した関係は、長い間業界全体を悩ませてきました。

しかし、これら二つの矛盾は中国の科学者によって「調和」された。研究者らは、光硬化型3Dプリント用感光性樹脂の原料を分析し、プリント工程を分解することで、プリントと後処理を段階的に行う戦略を提案した。研究者らは、動的に阻害された尿素結合と主鎖に2つのカルボキシル基を含むジメタクリレートDLP（デジタル光処理）前駆体を設計した。印刷および成形段階では、これらの主要コンポーネントは「休止」状態にあり、成形後の処理段階で強化の役割を果たします。

a. 3D プリントされたオブジェクトと後処理中の寸法変化。 b. 3D プリントバルーンの耐穿刺性能。紀元前機械的穿刺力のモデリングe. 3Dプリント空気圧グリッパー重量挙げテスト

（画像出典：参考1）

90°C での後処理段階では、3D プリントされた製品内の障害のある尿素結合が解離してイソシアネート基が形成され、一方では側鎖カルボキシル基とアミド結合を形成し、他方ではカルボン酸に吸着された水と反応して尿素結合を形成します。分子内の化学結合の変化により、材料内の単一のネットワーク構造が「手と手をつなぐ」ような相互浸透ネットワーク構造に接続され、より多くの水素結合をもたらし、それによって材料の内部構造が強化されます。 3Dプリント製品は、材料の内部構造の変化により、外力による変形時により大きな緩衝空間を持ち、車両衝突時のエネルギー吸収効果に似ています。製品の耐衝撃性、耐破壊性が向上し、靭性も高まります。

実験結果によると、DLP前駆体を使用した3Dプリントで作成されたわずか0.8mmの厚さのフィルムは、非常に強力な耐穿刺性能を示し、破損することなく74.4Nの力に耐えることができます。高圧膨張状態であっても、3Dプリントされた空気圧グリッパーは、表面に鋭いトゲがある重さ70グラムの銅球を壊れることなくつかむことができました。 3Dプリント製品の超高靭性と構造強度を実証しました。

3D プリントされたエラストマーの用途は何ですか?

スポーツ用具の分野では、3D プリントされたエラストマーにより、アスリートたちはよりパーソナライズされた高性能な用具を利用できるようになります。たとえば、カスタマイズされたインソールや保護具は、エラストマーの衝撃吸収性とサポート性を活用して、アスリートのパフォーマンスを最適化し、着用感を向上させます。特にエクストリーム スポーツや衝撃の大きいスポーツでは、3D プリントされたエラストマー材料により、運動中にアスリートが受ける衝撃を大幅に軽減し、関節や筋肉を怪我から守ることができます。

3Dプリントインソール

（写真提供：veerフォトギャラリー）

自動車や航空宇宙の分野では、3D プリントされたエラストマーが軽量ショックアブソーバーやシールなどの主要部品に使用されています。これらのコンポーネントは、高性能を維持しながら重量を軽減するために複雑な構造で設計されています。

自動車部品

（写真提供：veerフォトギャラリー）

電子製品の分野では、スマートスピーカー、スマートブレスレット、携帯電話ケースなどの製品にエラストマー材料を印刷することができます。これらの製品は、優れた柔らかさと弾力性を備えているだけでなく、耐摩耗性と耐久性も高く、製品の外観と性能に対する消費者の多面的な要求を満たすことができます。

スマートブレスレット

（写真提供：veerフォトギャラリー）

工業製造の分野では、3D プリント エラストマー技術がさまざまな工業用金型、伝動ベルト、その他の部品の製造に使用されています。これらの部品は大きな機械的ストレスと振動に耐える必要があり、優れた弾力性と耐疲労性を備えたエラストマー材料が理想的な選択肢となります。これらの部品を 3D プリント技術で製造すると、生産効率が向上するだけでなく、製造コストも削減されます。

コンベアベルト

（写真提供：veerフォトギャラリー）

結論

3D プリント技術は私たちの生活の中でますます重要な位置を占めており、3D プリントエラストマー技術の登場により、3D プリント製品の使用シナリオがさらに豊かになりました。科学技術の進歩は生命に無限の可能性を与えました。私たちの生活がより豊かになるよう、さらなる技術開発と技術革新も期待しています。

参考文献:

1.Fang、Z.、Mu、H.、Sun、Z. 他。並外れた強度と靭性を備えた3Dプリント可能なエラストマー[J]。自然、2024年。

2.Walker, DA, Hedrick, JL & Mirkin, CA モバイル液体インターフェースを使用した高速大容量熱制御3Dプリント[J]。サイエンス、2019年。

3. Zhang Xuejun、Tang Siyi、Zhao Hengyue、他。 3Dプリンティング技術の研究現状と主要技術[J]。材料工学、2016年。

4. 黄建、江山。 3D プリント技術は「第 3 次産業革命」をもたらすでしょうか? [J]。新素材産業、2013年。