積層造形

‘Y-Zipper’が3Dプリンティングの可能性を際立たせる方法

Published May 20, 2026

Jonathan Schramm

3Dプリンティング、または付加製造は、しばしば製造業の未来と称されています。そして多くの面で、すでにロケットノズル、ドローン部品、またはカスタム医療インプラントなどの高度な機器に導入されており、実際に未来となっています。

3Dプリンティングがユニークなのは、従来の方法では非常に困難、あるいは不可能な複雑な形状を作り出す能力にあります。これにより、全く新しい設計の可能性が開かれます。

したがって、金型や機械加工といった従来の製造形態は基本部品のために残る可能性が高いものの、3Dプリンティングは新しいアイデアを探求し、製造の複雑さのために放棄された概念を再検討するためにますます利用されています。

最近の例として「Y-zipper」があります。これは1980年代にMITの教授が発明した概念です。通常の平面ジッパーと基本原理は似ていますが、Y-zipperは三面構造で、はるかに複雑な形状を取ることができます。

40年以上前の特許が、最近MIT CSAIL（コンピュータサイエンス・人工知能研究所）、天津大学（中国）、ミュンヘン工科大学（ドイツ）、慶應義塾大学（日本）の研究者によって再検討されました。

最新の3Dプリンティング技術を用いて、彼らはY-zipperの複数のバージョンを作成・テストし、医療、ロボティクス、消費財への潜在的な応用を探求しました。成果はAssociation for Computing Machinery（ACM）¹にて「Y-zipper: 3D Printing Flexible–Rigid Transition Mechanism for Rapid and Reversible Assembly」というタイトルで発表されました。

ジッパーの説明

ジッパーは、完全に同一のプラスチックまたは金属製の歯を2組組み合わせて作られます。ロック機構が歯を正確な角度に押し込み、逆方向に引くと機構を元に戻すことができます。

この概念が商業的に成功するまで実際には約20年かかりました。ジッパーで結ばれたバッグや衣類、その他の製品を損なわず信頼性を保つためには、すべての歯が完璧になるよう極めて高精度で製造する必要があるからです。

その結果、現在のジッパー市場は日本企業YKKが支配しています。同社は高品質と信頼性、そして完全な垂直統合により市場での支配的地位を築いてきました。

調整可能な剛性

新しい材料クラスは、材料の組成を変えずに、柔軟性から剛性への変化など、固有の特性に追加の柔軟性を付与しようとしています。

このような剛性から柔軟性への材料遷移は、しばしば調整可能な剛性と呼ばれます。インフレータブル構造、折り紙インスパイア機構、ベルクロベースの組み立てなど、さまざまな方法が検討されましたが、耐久性、製造の容易さ、または形状の制限といった課題があります。

別のアプローチとして、閉じたときは剛性で、開いたときは柔軟なジッパーを使用する方法があります。例えば、以下のようなオプションが開発されています。

StructCurves はジッパーをブロック状モジュールに再構成し、閉じた状態の安定性を高めます。
Touch-n-Curl は分岐ジッパートポロジーを導入し、複雑で曲面の安定化を実現します。

しかし、両手法ともに複雑な歯の形状を必要とし、手作業で部品ごとに組み立てる必要があります。これにより、ジッパーの主要な利点である高速かつ可逆的な操作が根本的に損なわれます。

別の選択肢として、zip-chainアクチュエータは、供給されてロックされると剛性になるチェーンを保持します。

これらの設計は高速で可逆的な伸長と高い軸方向剛性を提供しますが、特殊なハードウェアと公差が必要で、異なる形状に自動的に適応できず、オールインワンでの印刷もできません。

したがって理想的な方法は、通常のジッパーの従来の速度と可逆性を、zip-chainアクチュエータの調整可能な剛性と組み合わせることです。これがY-zipperが最終的に実現したものです。

出典: ACM

Y-zipper概念の説明

40年以上前の発明が復活

Y-zipperの概念はウィリアム・フリーマンによって発明され、三角形の形状を形成し、各側面にベルトを打ち付けて狭い木製の「歯」を接続しました。装置を包むスライダーを動かすことで、三角形のチューブに伸ばすことができます。

当時、この概念はほとんど関心を集めませんでしたが、フリーマンは発明を特許取得しました（特許 #4,757,577）。

出典: MIT

Y-zipperの開閉は手動、プルコード、またはロボットによる動作で行うことができます。

手動操作は最も簡単で、スライダーの下側にあるグリップが助けになります。プルコードは固定モーターで作動させることができます。一方、ロボット／動的機械駆動はN20モーター、マイクロコントローラ、無線受信機、追加のカスタム3Dプリントギア2個、そして重さわずか18gの15mm×25mm×35mmのパッケージにバッテリーを組み込みました。このアクチュエータはBluetoothで最大25mの距離で無線制御可能です。

出典: ACM

それは最大3メートル（10フィート）まで伸長可能で、さまざまな形状や用途に対応できます。

スライダーは上部の分離部で、開くとストリップを分割し、下部の結合部で閉じるとストリップを結合します。

出典: ACM

ジッパーの安定性は三方向のインターロック構造から来ており、滑らかで高速な閉鎖（30cm/s）を可能にします。他のジッパー設計とは異なり、シンプルな歯は高速で動き、比較的容易に製造できます。

“従来のジッパーの歯は、主にスーツケースの蓋と本体など、ジッパーで閉じる対象の両側を保持することが機能ですが、Y-zipperの歯の最も重要な役割は、閉じた状態でY-zipperに十分な構造的支持を提供することです。”

ブリッジは全体のチェーン、すなわち「引張力を支えるユニット」の構造的完全性を提供する部分です。

ボールノードとソケットは閉鎖時に追加の位置合わせを提供し、主にせん断力に抵抗してジッパーの歯同士が滑り合うのを防止します。

出典: ACM

Y-zipperはどのように動くか？

最も単純な形態では、組み立てられたY-zipperは剛性のある三角形チューブに形成できます。

別のシンプルなオプションは、一本のストランドが不均一な歯と曲がったブリッジを持つために可能になる曲げアーチです。曲げ角度と有効曲げ半径は、歯形状を変えることで微調整でき、コンピュータモデルを用いて予測できます。

別の選択肢は、セグメント間の角度を変更してコイルを作ることです。

出典: ACM

最後に、時計回りまたは反時計回りのねじ形状に組み立てることも可能です。全体のねじ角度も調整でき、隣接する歯間で過度の角度不一致が生じる点まで変えることができます。

出典: ACM

有用で多用途な形状の作成

直線形状と曲げ形状は相互排他的ではなく、組み合わせて最終的なジップ形状の多様な形を作り出すことができます。つまり、Y-zipperは設計が固定されると変更できませんが、ほぼ任意の形状の可動的な柔軟構造を作成するために最終的に使用できるということです。

出典: ACM

Y-zipperには幅広い材料が使用可能です。もちろん、元の特許にあるように木材も含められますが、熱可塑性ポリウレタン（TPU）などの柔軟なプラスチック、一般的な3Dプリント用プラスチックであるポリ乳酸（PLA）、さらには布地、最終的にはケブラー繊維のような素材も含められます。

潜在的な設計の柔軟性をさらに高めるために、異なるY-zipper同士を接続する必要があります。そのために研究者は最大3つのY-zipperを結合できるジョイントを作成しました。

出典: ACM

Y-zipperの目的は、必要時に容易に展開できることなので、コンパクトな収納性もユーザーが求める特性です。そのため、研究者はジッパーを巻き上げて効率的に収納する方法を提案し、0.5m（1.6フィート）のジッパーを高さ10cm（4インチ）・半径25mm（1インチ）の円筒容器にコンパクト化しました。

出典: ACM

Y-zipperを実生活に持ち込む

Y-zipperの応用

Y-zipperの最も市場投入が容易な潜在的応用の一つは医療用ブレースです。3Dプリンティングはすでに同様の用途で頻繁に使用されています。

例えば、手首ブレースは昼間は柔軟な状態にして自由な手首の動きを可能にし、硬直や筋肉萎縮を防ぎ、患者が睡眠中は硬くして二次的な怪我を防止できます。ジッパーを片手で操作できる可能性は追加の利点です。

出典: ACM

別の可能性はロボット用の可変肢体を作ることです。シンプルなプロトタイプでは、研究者は高さを60mmから245mm（2.3〜9.6インチ）に3秒未満で迅速に調整できるロボットを作成しました。

“従来の伸縮式や多関節機構とは異なり、Y-zipperは追加のリンクや複雑な運動学を必要とせず、わずか4本の軽量チューブだけで可変脚長を実現します。”

出典: ACM

3番目の応用はキャンプ用テントの迅速な組み立てと分解です。研究者は4つのY-zipperとそれらを接続するジョイント、テントの4つのコーナーアンカーからなるフレームを作成しました。全体の組み立て時間は約1分20秒でした。

出典: ACM

限界のテスト

もちろん、実際の応用では設計の耐久性が重要です。研究者はデザインを1日15時間連続で稼働させ、8秒ごとにサイクルを繰り返し、合計18,000回以上のサイクルを実施した後、歯とブリッジの接合部で破損が発生しました。

全体として、特に初期プロトタイプにおいて18,000回以上のサイクルは、設計がほとんどの商業用途に十分な強度を持っていることを示しています。

より強固な材料や、重力たわみを予測・補正する計算手法を導入すれば、性能をさらに向上させることが可能です。

Y-zipperの精度は3Dプリンティングの解像度に制限されています。実現された最狭幅の機能ストリップは8mm（0.3インチ）でした。より高度な印刷方法や将来の3Dプリンティングの進化により、さらに小さなY-zipperが作成できるでしょう。

いずれにせよ、Y-zipperは3Dプリンティングが既存の設計・製造方法を置き換えるだけでなく、全く新しいデザインへの道を切り開く可能性のもう一つの例です。

3Dプリンティング／付加製造への投資

Nano Dimension

(NNDM )

Nano Dimensionは3Dプリント電子機器に注力して開始しました。この立場は、2025年に全額現金取引で競合他社のDesktop MetalとMarkforgedを順次買収したことで進化しました。これにより、高公差金属を含む多数の新素材が同社の提供に加わり、3Dプリント電子市場の統合に貢献しました。

これにより、SpaceX、Tesla、GE、Honeywell、Emerson、Raytheon、NASA、Medtronicsなどを含む顧客基盤が統合され、規模の経済が生まれました。

最後に、買収された企業は主に異なる地域で活動しており、Nano Dimensionはヨーロッパ、Desktop Metalは米国であったため、販売チームを統合することでシナジーが得られました。