自然にINSPIREされた3Dプリンティング法

July, 10, 2025, Urbana--全速力で突進すると、庭のカタツムリは毎秒1ミリメートルの舗装をヌルヌルにする。この論理により、ベックマン先端科学技術研究所の研究者による新しい3Dプリンティングプロセスは、カタツムリのペースで既存の方法をはるかに超えている。

Beckmanの自律型材料システムグループの研究者は、木の幹の外側への拡大を模倣して、3Dプリンティングに通常関連する金型や高価な機器を使用せずにポリマ部品を迅速かつ効率的にプリントする「グロースプリンティング」(growth printing)を開発した。チームの研究は、ジャーナルAdvanced Materialsに掲載されている。

「人間はもの作りに信じがたい才能がある。まったく新しい製造プロセスを見つけるのは容易ではない。グロースプリンティングはまったく新しいもので、スリリングである」と、University of Illinois Urbana-Champaign機械科学・工学教授 でプロジェクトリーダーSameh Tawfickはコメントしている。

同氏によると、最も一般的な工業製造技術は、溶融ポリマを金型内で成形する射出成形である。大量生産には効果的だが、金型と硬化オーブン( プラスチック硬化)は、特にボートの船体やファンブレードなどの大きな物体の場合、法外な費用がかかり、扱いにくい場合がある。レイヤケーキのように3Dオブジェクトをプリントするアディティブマニュファクチャリング(ＡＭ)は、金型がなく、プロステティクスのようなカスタムパーツに最適である。

「ポリマ3Dプリンティング機器は成熟したが、それでも高価で非常に遅い側面がある。われわれの目標は、低コストを維持しながら、製造速度、サイズ、材料品質を向上させることだった。われわれが考え出したプロセスは、本当に速くて安価である」とTawfickは話している。

まず、Samehと同氏の同僚は、氷水に浸した開放ガラス容器に、ジシクロペンタジエン(DCPD)と呼ばれる琥珀色の液体樹脂を注ぐ。樹脂の中心点を70℃に加熱する。反応が成功すると、熱は外側に放射される。 最初の接点から1mm/sで、家庭用のデスクトップ3Dプリンタの100倍以上、世界で最も急速に成長している竹の60倍の速さになる。熱が触れるものはすべて固まって球に成長する。 まるで神話上のミダス王が地球の核をつかんだかのようである。熱の着実な放出によって自立するこの反応は、前頭開環メタセシス重合、つまりFROMPと呼ばれ、最小限のエネルギーを使用し、樹脂を固体の形に硬化させる。ポリジシクロペンタジエン(P-DCPD)である。

硬化した球体が成長するにつれて、研究チームは、ネバネバしたキャラメルからリンゴが出てくるように、レジンからそれを引き出すことで形状を変える。液体から固体への反応は表面下でのみ起こるため、研究チームは固体部品を持ち上げたり、浸したり、回転させたりすることができる。吹きガラスのようにそのサイズと形状を操作する。例えば、波状のエッジを作るには、研究者はレジンを少し持ち上げて静止させ、それを繰り返す。

研究チームは、木が着実に外側に向かって、年輪ごとに広がる様子を模倣するようにプロセスを設計した。自然界では、重力、風、温度などの要素が木の対称的な成長傾向を補完し、複雑にするため、木は 風に吹かれてお辞儀をしたり、林冠の日光に向かって手を伸ばしたりする。

Tawfickは、University of Illinois Urbana-Champaignの著書「成長と形態について」を読んで、生物の成長パターンとその結果生じる形状(形態形成とも呼ばれる)に夢中になった。昨年の8月、Tawfick 准教授から正教授に昇進し、同教授はこの本を大学図書館に捧げた。

Tawfickと同僚たちは、新しい方法を使用して、松ぼっくり、ラズベリー、カボチャなどの日用品を製作した。これらはすべて軸対称の形状、または垂直軸を中心に対称である。非対称形状はより難しいが、 しかし、可能である。たとえば、研究チームは、球体を表面下で膨張させてから、ちょうど間に合うように引き上げて小さな頭と微細なくちばしを作成することで、キーウィの鳥を彫刻した。
「これは、多くの自然系に見られる反応拡散プロセスの美しくシンプルな応用だ。成長プリンティングプロセスのスピードとエネルギー効率は、このプロセスを特に魅力的にする。モデリングについて この共同プロジェクトの一環として、製造された物体の目標形状を達成するために必要なロッドの上向きの動きを予測する計算ツールを開発した」と、イリノイ大学の航空宇宙工学教授で論文の共著者Philippe Geubelleは話している。

この方法の制限は、自然界に見られるものと同じである。バナナのような湾曲した物体のプリントは理論的には可能だが、数学的にプログラムすることは困難であり、「バラのとげのような」複雑な形状も同様であるとTawfickはコメントしている。

「自然界で完璧なキューブを見つけるのは難しい。完璧な立方体のように見える植物や生物を私は知らない。同様に、われわれのプロセスでは完璧な立方体を作ることはできない。それは興味深い自然の鏡である」と同氏は話している。

Tawfickは、このプロセスは「シンプルで市場性が高い」と語っており、いつの日か風力タービンブレードのような大型のポリマベースの製品の作成に使用できることを望んでいる。このプロジェクトは、米国エネルギー省科学局の基礎エネルギー科学プログラムを通じて資金提供されている。

「基本的なエネルギー科学は、革新的な製造につながる可能性がある。つまり、われわれの経済に変革的な影響を与える何かを意味する。これは成功例であり、ここベックマン研究所のすべての専門分野の人々とのコラボレーションによって可能になった」(Tawfick)。