次世代の3Dプリンティングは、強靭な金属の成長です

スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究者は、単純なハイドロゲルを高性能な金属とセラミックに変換できる新しい3Dプリンティング手法を開発しました。

彼らは実質的に金属塩の複数回の注入を可能にすることで金属を成長させ、従来の方法に見られる多孔性を伴わない極めて強固で密度の高い構造を形成しました。結果は、新技術で作られた金属が従来比で20倍の強度を持ち、収縮もはるかに少ないことを示しています。

このブレークスルーは、次世代のエネルギー、センシング、医療デバイスの効率的な製造を約束します。

なぜ構造化材料はより優れた金属3Dプリンティングを必要とするのか

製造、建設、工学、技術の基盤として、材料は建物から電子機器、輸送、医療に至るまで、すべての機能性、耐久性、安全性に直接影響します。

このため、特定のニーズに応え、課題を解決し、さまざまな産業の進歩を促進するために、新材料を創出したり既存材料を改良したりすることが重要です。

これを実現する革新的かつ重要なアプローチは、構造化材料の設計です。このプロセスは、内部構造を多尺度で設計することで、平坦な材料に比べて材料特性を向上させます。

この新興の材料群は、3次元構造ジオメトリを活用し、組成や微細構造の最適化だけでは得られない機能性や特性にアクセスします。

建築と特性の関係や製造ツールの理解が進むにつれ、極端な機械的挙動からエキゾチックな光学特性まで、従来の加工材料では実現できない新たまたは強化された特性を持つ3Dナノ・マイクロ構造材料の開発が進みました。これにより、構造化材料は高性能デバイスへの需要増加に対応し、複雑な技術を可能にします。

これらの材料は、幅広いスケールで複雑な3D構造を作製できるため、現在は付加製造（AM）技術を用いて製造されています。さまざまなAMプロセスの中で、バット光重合（VP）は小型化と高速化が可能なため広く使用されています。

この3Dプリンティング手法では、光感応性樹脂をバットに注入し、レーザーまたはUV光で選択的に硬化させて所望の形状にします。

しかしながら、このプロセスは光感応性ポリマーに限定され、非ポリマー材料の製造には課題があります。ポリマーは構造的・機能的特性が限られているため、VPで製造されたデバイスの利用ケースが制限されます。

その結果、科学者は金属やセラミックなど光重合できない材料のVPを可能にする手法を開発しました。これには無機・有機成分を組み合わせたハイブリッドフォトレジンや光感応スラリーの使用が含まれますが、光散乱、粘度、材料組成の制限といった課題があります。

その結果、金属塩溶液の使用が有望なアプローチとして浮上しています。これは汎用性が高く商業的にも入手可能です。しかし、収縮が大きく、多孔性や歪み、構造損傷を引き起こします。

これらの課題に対処するため、EPFLの研究者は低い線形収縮で密度の高い構造化金属とセラミックを製造する新しい汎用的手法を開発しました。

彼らが行ったのは、ハイドロゲル内で金属を成長させることで、先進技術向けに驚くほど密度が高く複雑な構造を実現したことです。

ハイドロゲルは主に水で構成された高分子材料です。水分を含むとゼリー状になります。生体適合性があるため、医療をはじめさまざまな用途で利用されていますが、繰り返しの機械的応力に弱く、変形しやすいという欠点があります。

「既存のハイドロゲルの問題は機械的に弱く、強化が必要であることです」と、東京大学固体物理研究所（ISSP）の小泉 真弓准教授は述べています。彼は柔軟性を保ちつつゴムのような靭性と回復性を示すハイドロゲルを開発しました。

一方、最近の研究ではハイドロゲルを用いて、非生物材料が「記憶」を利用して環境認識を更新できることを示しました。非生物ハイドロゲル（電気刺激に応答できる）がビデオゲーム『Pong』をプレイし、練習を通じて精度を最大10％向上させることで、「記憶はハイドロゲル内で自発的に現れる」ことを示しました。

現在、EPFLの研究者は、これらの柔らかいハイドロゲルを強力な新しい3Dプリンティング手法で、極めて強靭な金属とセラミックに変換しました。

強靭な金属を3Dプリントする新しい方法

印刷されたポリマーをより硬い材料に変換する他の3Dプリンティング手法は、深刻な構造的課題に直面しています。「これらの材料は多孔性になりやすく、強度が大幅に低下し、部品は過度の収縮で歪みが生じます」と研究者は述べ、問題に対する独自の解決策を生み出しました。

EPFLの研究者は、ハイドロゲル注入付加製造（HIAM）と呼ばれる3Dプリンティング手法を開拓しました。

最新の研究では、Advanced Materialsに掲載され、研究者は多用途性とアクセス性の利点があるものの、ポリマーからセラミックへの変換過程で50％〜90％の収縮が生じ、最終部品に多孔性、亀裂、歪みが発生し、実用に耐えないほど脆くなることが制約となっていると指摘しました。そのため、製造後に注入・沈殿戦略も採用しています。

金属前駆体を事前に注入した樹脂を光で硬化させる代わりに、EPFLチームはまずハイドロゲルで3D足場を構築しました。

次に、空白のハイドロゲルにさまざまな金属塩溶液を注入し、熱処理して金属を含むナノ粒子に変換し、構造全体に浸透させます。このプロセスを繰り返すことで、非常に高い金属濃度の複合材料が作製できます。

5〜10回の「成長サイクル」の後、最終段階で残存するハイドロゲルを焼却します。これにより、元の空白ポリマーの形状を保った、非常に強く密度の高いセラミックまたは金属製品が残ります。

ハイドロゲルへの金属塩注入を製造後に行うことで、1つのハイドロゲルを多数の異なる複合材料、金属、またはセラミックに変換できます。

単一の樹脂組成でほぼ無限の非ポリマー材料を製造できるだけでなく、本研究は材料選択が印刷前ではなく印刷後に行われるというAMの新たなパラダイムを示しています。

この新技術は「手頃で低コストな3Dプリンティングプロセスで高品質な金属とセラミックの製造を可能にする」と、EPFL工学部の材料化学・製造ラボ（ALCHEMY）責任者であるダリル・イー氏は述べました。

ALCHEMYの焦点は、材料科学、分子設計、先進製造を統合し、医療、エネルギー、気候変動といった社会的課題に取り組む先進的な機能材料を創出することです。

この手法を用いて、EPFLチームはさまざまな複雑な3D金属・セラミック構造を成功裏に製造しました。銅、銀、鉄でギロイドと呼ばれる複雑な数学的格子形状を作製しました。

Fe₂O₃、SrFe₁₂O₁₉、Fe、Cu、Agの製造では、理論密度の88〜89％に近い密度と、組成に応じて20〜40％の収縮を達成し、強靭で複雑な構造を作れることを示しました。また、ユニバーサルテスト機でギロイドに徐々に圧力を加えて材料の強度を評価しました。 

「我々の材料は従来の方法で作られたものと比べて20倍の圧力に耐え、収縮は60〜90％ではなくわずか20％に抑えられました。」

– 博士課程学生で第一著者のジ・イーミン

科学者によれば、新たに開発された注入・沈殿ベースの技術は、医療デバイス、センサー、エネルギー変換・蓄電デバイスなど、同時に複雑で軽量かつ強靭である必要がある先進的な構造化材料や3D構造の製造に有望です。 

今後は、プロセスの改善、特に材料の密度向上に注力し、商業化を目指します。

速度向上も目標です。繰り返しの注入は強度向上に重要ですが、工程が時間を要します。「ロボットで自動化し、全体の処理時間を短縮する作業を既に進めています」とイー氏は述べました。
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次に向かう付加製造の方向性は？

付加製造は現代の最も破壊的な技術の一つで、デジタル設計と金属、プラスチック、コンクリートなど幅広い材料を用いて、3Dオブジェクトを層ごとに構築します。

この技術は便利で多用途、複雑な幾何構造を迅速に製造でき、材料の無駄を削減し、高度なカスタマイズを可能にし、柔軟デバイスの性能を向上させます。

世界のAM市場規模は2025年に約250億ドルと推定され、2032年までに1,250億ドルを超えると予測されています。一方、2021年に出荷された3Dプリンターの総台数は220万台で、今 decade の終わりまでに2150万台に達すると見込まれています。

これらの数字は、技術の採用が拡大していることを示しており、研究室に限らず、住宅、靴、VRヘッドセット、自己修復性生分解性材料など、さまざまな分野でますます利用されています。

最近では、Empaの研究者が、目の損傷を永久に修復できる3Dプリントの生体適合性角膜インプラントの開発を報告しました。

世界中で何百万人もの人が角膜損傷に悩んでおり、角膜移植で治療できるのはごく一部です。3D押出バイオプリンティングにより実現したカスタマイズ可能な自己接着型インプラントの開発は、状況を根本的に変える可能性があります。

このインプラントは生体適合性ハイドロゲルで作られ、後に眼由来のヒト幹細胞をロードして組織再生を支援します。

AMの応用が拡大する中、科学者は3Dプリンティングの永続的な技術課題にも取り組んでいます。オークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者は、真空支援押出技術を開発し、ポリマー部品の内部多孔性を75％削減し、大規模付加製造（LFAM）を阻む問題に対処しました。

内部多孔性は印刷部品を弱体化させ、これを削減することが全体的な性能向上に重要です。

研究者は押出工程中に真空ホッパーを統合し、閉じ込められたガスを除去し、LFAMで頻繁に見られる繊維強化材料の空隙形成を最小化しました。これらの材料は剛性と低熱膨張が特徴ですが、ビーズ内部の多孔性が品質に影響します。 

「この革新的な技術を用いることで、大規模ポリマー印刷における多孔性という重要課題に対処するだけでなく、より強固な複合材料への道を切り開いています。これはLFAM業界にとって大きな飛躍です。」

– ORNLのヴィピン・クマール

一方、コロラド大学ボルダー校の研究者は、より複雑な設計を実現するためのソフトウェアOpenVCADを開発しました。このオープンソースソフトは、格子構造の特定部分に特定の特性を付与でき、通常は衝撃吸収に利用されます。

最初のマルチマテリアル、コードベースの設計ツールは「ユーザーが小さな変数を変更すると、全体のデザインが簡単に更新される」とプロジェクトリーダーのロバート・マッカーディは述べました。これにより、複雑な勾配設計が最新のエンジニアリング用途向けのプリンタ対応コードに変換されます。

材料品質の向上に加えて、イノベーターは製造能力を手のひらに収めることにも取り組んでいます。UTオースティンとMITの研究者による論文では、シリコンフォトニクスをチップベースの3Dプリンターに活用し、1ミリメートルサイズのフォトニックデバイスがプリンターの機械機能の大部分を担い、光源を置き換えることを検討しました。その結果、プリンターははるかにシンプルでコスト効果が高くなります。

現在の3Dプリンターは大型で複雑な機械システムに依存しており、速度、携帯性、解像度、形状、材料の複雑さが制限されています。研究者は光硬化ベースの3Dプリンターを検討していますが、依然として大型で複雑な機械システムが必要です。

そこで、最新の研究はシリコンフォトニクスと光化学を組み合わせ、初のチップベース3Dプリンターを実現しました。小型チャンバー内でシリコンフォトニクスCMOSチップを使用し、光を放射・導光し、液晶導波路と組み合わせて樹脂と連携させました。

このシステムは「可視光統合光位相アレイシステム」で、チップ上のバット光重合システムとして機能し、最終的には全体を手のひらに収めることを目指しています。

3Dプリンティングへの投資

従来の印刷で有名なHP(HPQ )は、積極的に3Dプリンティング市場へ参入し、ハイドロゲル注入など最先端プロセスを採用できる規模、資本、インフラを誇っています。

同社は10年以上前に付加製造に参入し、それ以来、複数のポリマー3Dプリンティングシステムを発売し、Metal Jet技術を導入しました。3Dプリンティング業界で最も古い企業ではありませんが、HPは技術、材料、パートナーシップのイノベーションで市場リーダーになるべく取り組んでいます。

HP Inc. (HPQ )

今年初め、HPのマルチジェットフュージョン3Dプリンティング技術がBlazin Rodzによって、カスタムビルド車用に75部品以上の製造に使用されました。

「Blazin Rodzで私たちが行うような極端で精密、かつ走行可能な車両を、1年未満で設計・エンジニアリングすることは、CAD設計と3Dプリンティングなしでは不可能です。HPのマルチジェットフュージョン（MJF）印刷は業界全体のゲームチェンジャーであり、今後も開発するすべてのシグネチャーパーツやカスタムカーに対して、賢く革新的な活用法を見つけることにコミットしています。」

– Waylon Jeffrey、Blazin Rodzの3Dデザイン＆エンジニアリングリード

数か月前、モバイルドローン製造企業Firestorm Labsは、HPからモバイルマルチジェットフュージョン3Dプリンティング技術の独占販売権を取得し、医療、人道支援、商業分野での現場生産を可能にしました。

HPはパーソナルコンピューティングやその他のデジタルアクセスデバイスの世界的プロバイダーで、3つの主要セグメントで事業を展開しています。

Personal Systems部門は商用・コンシューマ向けデスクトップ、ノートブック、ワークステーション、POSシステム、ディスプレイ、ハイブリッドシステム、ソフトウェアを提供し、Printing部門はコンシューマ・商用プリンタハードウェア、グラフィックス、3Dプリンティング、商業・産業市場向けのパーソナライズを提供し、Corporate Investments部門は事業インキュベーションや投資プロジェクトを含みます。

時価総額は255億ドルで、HPQ株は現在27.22ドルで取引されており、今年は16.18％下落しています。52週間の範囲は21.21ドルから39.80ドルで、最高値は2022年中頃の約41.50ドルです。

同社のEPS（TTM）は2.75、P/E（TTM）は9.96です。HPが株主に提供する配当利回りは魅力的な4.23％です。

HPの財務状況について、2025会計年度第3四半期の純収益は139億ドルで、前年同期比3.1％増加しました。

このうち、Printing事業からの収益は40億ドルで、前年同期比4％減少し、営業利益率は17.3％でした。Consumer Printingの収益は8％減、Commercial Printingは3％減、Suppliesは4％減でした。一方、ハードウェア総出荷台数は9％減少し、Commercial Printingは12％、Consumer Printingは8％減少しました。

HPのGAAPベースの希薄化後1株当たり純利益は23.1％増の0.80ドル、非GAAPベースは10.7％減の0.75ドルでした。

「第3四半期は、Personal Systemsの強さと主要成長領域の勢いに支えられ、5四半期連続で売上成長を達成しました。この結果は、当四半期における当社の機敏さと集中した実行力を示し、戦略の強さと将来の働き方のリーダーになるというコミットメントを裏付けます。」

– CEO エンリケ・ロレス

この四半期、同社は営業活動による純キャッシュ1.7億ドル、フリーキャッシュフロー1.5億ドルを報告しました。また、1株当たり0.2894ドルの配当金支払いで4億ドル、株式買戻しで1億5千万ドルを株主に還元しました。HPは四半期末に現金・現金同等物が29億ドルとなりました。

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最新のHP Inc.（HPQ）株式ニュースと動向

材料科学の新章

3Dプリンティングにより、製造は新時代に入り、迅速な試作、開発スピードの向上、設計の柔軟性、コスト削減、サプライチェーンの改善が可能となりました。

この技術を活用し、ハイドロゲル注入と注入・沈殿戦略を組み合わせることで、EPFLの研究者はより強靭な金属を製造し、製造工程における材料の特性決定時期と方法を再定義しました。さらに、その柔軟性はエネルギーからバイオ医療工学までの産業に変革的な可能性をもたらします。

これらの手法が成熟し、規模化・商業化されるにつれ、強度は「作られる」のではなく「育成される」新たな産業環境が到来します。

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