3Dプリンティングプラットフォーム、複雑な電気マシーンを急速製造

March, 5, 2026, Cambridge--複数の機能材料を用いた3Dプリントの課題を乗り越え、MITの研究者たちは数時間で電動リニアモーターを製作した。

自動化機械のモーターが壊れれば、忙しい工場の生産が停止してしまうことがある。もしエンジニアが交換部品を見つけられなければ、数百マイル離れた販売業者から注文しなければならず、その結果、高額な生産遅延が生じることがある。

現場で新しいモーターを作る方が簡単で速く、安価だが、電気機械の製造には専門的な機械と複雑な工程が必要であり、生産は限られた製造拠点に限定される。

複雑なデバイスの製造を一般化する取り組みの一環として、MITの研究者たちは、電気機械を一段階で完全にプリントできるマルチマテリアル3Dプリンティングプラットフォームを開発した。

チームは、電気伝導性材料や磁性材料を含む複数の機能材料を処理できるシステムを設計し、4つの押出工具を用いて様々なプリント可能な材料を扱うことができた。プリンタは押出機を切り替え、ノズルを通して材料を押し込みながら、デバイスを一層ずつ製造する。

研究チームはこのシステムを用いて、5つの材料を用いて数時間で完全3Dプリントされた電動リニアモーターを製作した。モーターを完全に機能させるために必要なのは、後処理ステップを一つだけ実行することだった。

組み立てられた装置は、より複雑な製造方法や追加の後処理工程を必要とする類似のモーターと同等かそれ以上に性能を発揮した。

長期的には、この3Dプリンティングプラットフォームは、ロボット、車両、医療機器向けのカスタマイズ可能な電子部品を、はるかに少ない廃棄物で迅速に製造することが可能になる。

「これは素晴らしい偉業だが、まだ始まりに過ぎない。グローバルなサプライチェーンに頼るのではなく、現場でハードウェアをワンステップで製造することで、物の製造方法を根本的に変えるチャンスがある。この実証により、これが実現可能であることが示された」と、MITのマイクロシステム技術研究所(MTL)の主任研究科学者、3Dプリンティングプラットフォームに関する論文の上級著者、Luis Fernando Velásquez-Garcíaは話している。この論文は、Virtual and Physical Prototypingに掲載されている。

さらに多くの素材

研究チームは、ノズルを通して素材を噴射して一層ずつ物体を製造する確立された方法である3D押出プリンティングに焦点を当てた。

電気機械を製造するためには、異なる機能を持つ複数の材料を切り替えられる必要があった。例えば、電流を流すための電気伝導性材料と、効率的なエネルギー変換のために磁場を生成する硬磁性材料が必要になる。

ほとんどの多材料押出3Dプリントシステムは、フィラメントやペレットなど同じ形の2つの材料間でのみ切替え可能であり、チームは独自の設計を行わなければならなかった。既存のプリンタに、それぞれ異なる原料を扱える4台の押出機を後付けする。

チームは材料の要件と制約をバランスよく調整するよう、各エクストルーダーを慎重に設計した。例えば、電気導電性のある材料は、熱や紫外線を過剰に使わずに硬化できなければならない。それが誘電体を劣化させる可能性があるからだ。

同時に、最も優れた電気伝導性の材料は、圧力システムで押出されるインクの形で提供される。このプロセスは、加熱ノズルで溶融フィラメントやペレットを噴射する標準的な押出機とは大きく異なる。

「重大な工学的課題があった。同じプリンティング技法である押出の多くの異なる表現を一つのプラットフォームにシームレスに融合させる方法を見つけなければならなかった」(Velásquez-García)。

研究チームは戦略的に配置されたセンサと新しい制御システムを活用し、各ツールをプラットフォームのロボットアームによって一貫してピックアップされ、置くようにし、各ノズルが正確かつ予測可能に動くようにした。

これにより、材料の各層が適切に整列することが保証される。わずかなずれでも完成した機械の性能が損なわれることがある。

モーターの製作

プリンティングプラットフォームを完成させた後、チームは直線運動を生み出すリニアモーター(自動車のような回転モーターとは異なる)を製作した。リニアモーターはピック&プレイスロボティクス、光学システム、手荷物コンベヤーなどのアプリケーションで使用されている。

モーターは約3時間で製作され、プリンティング後に硬磁性材料を磁化するだけで完全な機能を実現した。研究チームは、1台あたりの材料費は約50セントになると推定している。チームの3Dプリントモーターは、複雑な油圧アンプに依存する一般的なリニアエンジンよりも数倍の作動能力を発揮することができた。

「このエンジンとその性能に感動しているが、同時に電子機器の製造方法を劇的に変えるかもしれない多くの他の出来事の一例に過ぎないと同時に感銘を受けている」(Velásquez-García)。

将来的には、磁化ステップを多材料押出プロセスに統合し、完全3Dプリントの回転電動モーターの製造を実証し、より複雑な電子機器のモノリシック製造を可能にするためのツールをプラットフォームに追加したいと考えている。