埋め込み型3Dプリンティングが自然を模倣し、半導体に新たな可能性を開く

メーカーは過去5年間で埋め込み型3Dプリンティング手法を改善してきました。しかし、誰も解消できていない制限が残っています――自然に見られるような超薄型構造を迅速に印刷する能力です。これらの構造は微小な特性により、非常に強くて弾力性があり、今日のハイパフォーマンスな用途に最適です。

幸いにも、革新的な研究チームが自然を模倣する新しい3Dプリンティング手法を解明した可能性があり、埋め込み型半導体の作成を含むさまざまな新用途への扉を開きました。以下が知っておくべきポイントです。

自然を模倣する

自然は、毛や筋肉に酸素を供給する血流を通す細い血管など、薄い繊維構造を多様に利用しています。ある動物にとっては、これらの細い毛がヒゲのようなセンサーとして機能します。他の種、例えばクモでは、罠や巣作りに利用されます。

トカゲや多くの動物は、毛状の構造を使って垂直な壁を這い上がります。薄い毛状構造が防御手段として使われる例もあります。ナマズは捕食者に対し繊維状のゲルを噴射し、エラや目を覆って窒息させ、視界を奪います。

エンジニアは長らくこれら自然現象を再現したいと考えてきましたが、現在の製造プロセスの制約により不可能でした。高解像度の埋め込み型3Dプリンティング技術の最近の進歩は一部の課題を解決しましたが、まだ多くが残っています。現在、新しい3Dプリンティング手法がパズルの欠けたピースを提供し、超微細設計構造の新たな波を可能にすると期待されています。

従来の3Dプリンティング手法

従来の3Dプリンティングは、ノズルと溶剤を使用し、開放空間で層ごとに押し出します。その後、時間、熱、あるいはレーザーで材料を乾燥させます。最近の進歩により、従来の3Dプリンティングはより細い押し出しが可能になりましたが、自然を再現する点ではまだ多くが不足しています。

欠点

従来の3Dプリンティング手法の主な欠点は、印刷全体の向きに関する問題です。各層が次の層を支えるように配置しなければなりません。多くの場合、印刷が乾燥した後にサポート構造を追加・除去する必要があり、作業負荷と時間が増加します。

エンジニアが作りたいと望む細い毛状の印刷は、開放空間では再現が不可能であることが判明しました。構造的強度や重力、その他の力が微細なサポートを座屈させます。一つの解決策は、空気ではなく物質中に印刷することです。

埋め込み型3Dプリンティング

埋め込み型3Dプリンティングは、硬化・固化する際に構造を支える別の媒体を利用します。埋め込みプリンティングシステムはハイドロゲルを使用でき、ノズルが自由に動きながらも乾燥時に印刷物を固定します。このアプローチは、直接インク書き込み中に重力による変形問題を解決します。

埋め込み型3Dプリンティングにはさらに利点があります。まず、ハイドロゲル混合物は再利用可能で、印刷ごとに新たに購入する必要がありません。また、硬化プロセス中にサポートが提供されるため、さまざまなフィラメントを使用して複雑な構造を作成できます。

埋め込み型3Dプリンティングの欠点

この埋め込み型3Dプリンティング手法は、ヘリカルスプリングのような特定のデザインや細い押し出しにおいてより効果的であることが証明されています。しかし、毛細管現象によるフィラメントの切断が原因で、自然に似た繊維の印刷は依然として制限されています。テストでは、直径16マイクロメートル未満は表面張力によるフィラメント破断のため、現在の埋め込み型3Dプリンティング手法の範囲外であることが示されています。

埋め込み型3Dプリンティング研究

自然に触発され、韓国・淡江大学のエンジニアらは、自然からヒントを得た新しい埋め込み型3Dプリンティング手法を提案しました。このバイオインスパイアド手法は、ジャーナル『Nature Communications』にて “埋め込み溶媒交換による細く連続的で柔らかな繊維の高速3Dプリンティング” として掲載されました。高速印刷・マルチノズルプロセスである3DPX（溶媒交換による3Dプリンティング）について詳述しています。

非ニュートン性ゲル

3DPX手法は、非ニュートン性ゲルの使用と新しいプリンタ設計を組み合わせ、ミクロン級の細いフィラメント構造を印刷します。特筆すべきは、ゲルが溶媒交換を利用して表面張力による毛細管破断を抑制する点です。その結果、追加トルクによりノズルが自由に動けますが、細い繊維はゲルを固体とみなし、必要なサポートを提供します。

3Dプリンティングが自然を模倣

さらに、ミクロンスケールの糸束を使用したことで、ゲルは優れた機械的性能を示しました。マイクロゲル粒子の界面表面粗さによる制限が低減されます。

即時硬化

エンジニアは、インクが接触した瞬間に固化する溶媒混合物でゲルを作製しました。即時硬化により、従来の手法や材料では不可能だった極細構造を印刷プロセスでサポートできました。

埋め込み型3Dプリンティングテスト

理論を検証するため、チームはカスタム3Dプリンターを製作しました。デバイスは高精度のモーションステージ、ディスペンスシステム、制御コンピュータを統合し、市販のユニットと類似しています。主な違いは、粘塑性降伏応力流体のレオロジーを持つサポートゲル内で印刷する点です。

特筆すべきは、チームが最適なインクを見つけるために7種類のインクをテストしたことです。選択肢は熱可塑性エラストマーからポリスチレン、PVCまで多岐にわたります。追加テストでは、スチレンエチレンブチレンスチレンブロック共重合体（SEBS）やトルエンを溶媒として使用することも検討しました。

埋め込み型3Dプリンティング結果

テスト結果は印象的な能力を示しました。押し出されたインク間の溶媒交換が迅速な固化を促し、より複雑で精緻な印刷を可能にすることが判明しました。チームのプリンターはガラスノズルを使用して、印刷物の内部径5µmを実現しました。同じ装置は自由形状の軌道をたどりながら、1.5マイクロメートルの薄さ分解能を達成しました。

埋め込み型3Dプリンティングの利点

直径1マイクロメートルまでの柔らかい材料で構造を印刷できる能力は、材料科学の革命への扉を開きます。薄い毛状構造を活用した材料や構造は、新たなレベルの構造的強度を提供できます。

高速化

この埋め込み型3Dプリンティング手法は、即時硬化機能により従来の方法より高速です。具体的には、チームは押し出されたポリマー糸の固化速度を2.33μm/秒と記録しました。驚くべきことに、これは競合手法の50万倍の速さです。

高速製造

さらに、複数ノズルを並列で印刷できる能力は、大規模製造への応用の扉を開きます。複数ノズルを組み立てラインのように配置したり、複雑な構造を作成したりできます。これらの構造は異なる材料を統合でき、電気回路やスイッチなどの印刷も可能です。

柔軟性

研究は、3DPXが市販のポリマー、溶剤、非溶剤成分など幅広い材料をサポートできることを示しています。この柔軟性により、現在の製造プロセスへの統合が容易になります。

埋め込み型3Dプリンティング技術が半導体にもたらす意味

この最新アプローチにより、エンジニアは完全に3Dプリントされたリセット可能ヒューズなどの最近のブレークスルーを活用し、完全にアクティブな3Dプリント半導体を作成できるようになります。この技術的ブレークスルーは半導体産業に大きな影響を与える可能性があります。最終的に、これらデバイスの製造をより手頃で効率的、かつ高性能にすることが可能になります。

埋め込み型3Dプリンティング研究者

韓国・淡江大学繊維融合材料工学部のWonsik Eom博士は、MechME教授のSameh Tawfick氏とRandy Ewoldt氏を含むエンジニアチームと協力し、この新しい3Dプリンティング研究を公表しました。将来的には、さらに多くの材料やゲルのテストを拡大する計画です。

埋め込み型3Dプリンティング業界をリードする企業

過去10年間で、付加製造は大きく進歩しました。現在、宇宙船用複合材料の作成からヒト臓器の印刷まで、さまざまな印刷手法が存在します。ここでは、3Dプリンティングの進歩を最大化できる企業を紹介します。

Materialise

ベルギー拠点の3Dプリンティングソフトウェア・製造企業Materialise (MTLS ) は、市場で先駆的な存在です。1990年にWilfried Vancraen氏とHilde Ingelaere氏によって設立され、メーカー向けに高速プロトタイピングオプションを提供しました。過去30年間で、同社は数多くの初の取り組みを導入しています。

現在、Materialiseの3Dプリンティングソフトウェアは、モジュールの活用によりメーカーに人気です。具体的には、格子構造作成と部品ネスティングのモジュールがあります。これらのオプションは、開発者がより軽量で強度の高い設計を作成するのに役立ち、ミクロン級の薄い構造の作成に最適です。

Materialiseは医療分野から産業用途まで、複数の業界に製品を提供しています。トレーダーにとって主要な3Dプリンティング株の一つとして認識されており、数十年の経験を持つ信頼できる3Dプリンティング株を求める投資家のポートフォリオに賢い追加となります。

埋め込み型3Dプリンティング – より高速で軽量なコンピュータ

超薄型3Dパターン構造には多くの用途があります。ハードウェア開発者が単一プロセスでチップ全体を印刷できることを望む点を考えると、このチームの研究は今後貴重な資源となるでしょう。まず、この研究は材料科学や他分野での多くのブレークスルーへの扉を開きます。

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研究参考:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). 埋め込み溶媒交換による細く連続的で柔らかな繊維の高速3Dプリンティング. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}