「Yジッパー」が示す3Dプリンティングの可能性
By 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、すでにそれは実現しており、ロケットノズルやドローン部品、カスタム医療インプラントなどの高度な装置に導入されています。3Dプリンティングが独自である理由は、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。その結果、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、製造の複雑さが原因で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ジッパー」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。基本原理は通常の平面ジッパーと似ていますが、Yジッパーは三面構造で、はるかに複雑な形状を採用できます。40年以上前の特許は、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ジッパーの複数のバージョンを作成・テストし、医療、ロボティクス、消費財への応用可能性を探求しました。彼らはその成果をAssociation for Computing Machinery（ACM）1にて、タイトル「Yジッパー：3Dプリンティング柔軟‑剛性遷移機構で高速かつ可逆的な組み立て」として発表しました。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。ラッチ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、その他の製品を壊さないように信頼性を保つためには、すべての歯が完璧であるように極めて高い精度で製造する必要があります。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。同社は高品質で信頼性の高いジッパーを提供し、完全な垂直統合に裏付けられた支配力を築いてきました。調整可能な剛性新しい材料クラスは、材料本来の特性に追加の柔軟性を付与しようとしています。例えば、組成を変えずに柔軟から剛性へと変化させることが可能です。このような剛性から柔軟への材料遷移は、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の機構、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てきましたが、耐久性、製造の容易さ、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、ジッパーを閉じたときは剛性があり、開いたときは柔軟になるものがあります。例えば、以下の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、閉鎖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、供給されロックされると剛性になるチェーンを収納します。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あり、Yジッパーがついにそれを実現しました。Yジッパー概念の説明40年以上前の発明が復活Yジッパー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、各側面に狭い木製「歯」を接続するベルトを打ち付けました。デバイスを包むスライダーを回転させることで、三角形のチューブ状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）。Yジッパーの開閉は、手動、引きコード、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補助します。引きコードは固定モーターで駆動できます。一方、ロボット/動的機械的駆動はN20モーター、マイクロコントローラ、ワイヤレス受信機、2つのカスタム3Dプリントギア、そして重さわずか18gの15 mm × 25 mm × 35 mmパッケージにバッテリーを組み込みました。アクチュエータはBluetoothで最大25mの距離でワイヤレス制御可能です。それは最大3メートル（10フィート）までの長さに拡張でき、さまざまな形状や用途に対応します。スライダーは上部の分離部と下部の結合部から構成され、開くとストリップを分離し、閉じると結合します。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（30 cm/s）を可能にします。他のジッパーデザインとは異なり、シンプルな歯は高速で動き、比較的容易に製造できます。「従来のジッパー歯は、ジッパーで閉じる対象（例えばスーツケースの蓋と本体）を結合することが主な機能ですが、Yジッパー歯の最も重要な役割は、閉じた状態でYジッパー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歯同士が滑り合うのを防止します。Yジッパーはどのように動くか？最もシンプルな形態では、Yジッパーは組み立てられると剛性のある三角形チューブ形状になります。別の簡単なオプションは、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、曲げアーチを形成することです。曲げ角度と有効曲げ半径は、異なる歯形状を用いて微調整でき、コンピュータモデルで予測できます。別のオプションとして、セグメント間の角度を変更し、コイル形状を作ることができます。最後に、時計回りまたは反時計回りのねじれでねじ形状に組み立てることもできます。総ねじ角度は変えることができ、隣接する歯間の角度不一致が過度になる点まで調整可能です。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パー形状の多様な形状を作り出すことができます。これにより、Yジッパーはほぼ任意の形状の可動的な柔軟構造を作成できる可能性がありますが、設計が固定されると変更はできません。Yジッパーにはさまざまな材料が使用可能です。もちろん、元の特許のように木材も含められますが、熱可塑性ポリウレタン（TPU）や一般的な3Dプリント用プラスチックであるポリ乳酸（PLA）、さらにはケブラー繊維のような布地も使用できます。さらに設計の柔軟性を高めるために、異なるYジッパー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ジッパーを結合できるジョイントを作成しました。Yジッパーは必要時に簡単に展開できることが目的であるため、コンパクトな収納性もユーザーが求める特性です。研究者はジッパーを巻き取って効率的に収納する方法を提案し、0.5 m（1.6フィート）のジッパーを高さ10 cm（4インチ）、半径25 mm（1インチ）の円筒容器にコンパクト化しました。Yジッパーを実生活に持ち込むYジッパーの応用Yジッパーの最も市場投入が容易な応用例の一つは、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、手首用ブレースは昼間は柔軟な状態に保ち、自由な手首の動きを許容し、硬直や筋萎縮を防ぎ、睡眠時は硬くして二次的な怪我を防止できます。片手でジッパーを操作できる点も追加の利点です。別の可能性として、ロボット用の可変式肢体を作成することが挙げられます。簡易プロトタイプでは、研究者は高さを60 mmから245 mm（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ジッパーは追加のリンクや複雑な運動学なしで、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。」三番目の応用は、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本のYジッパー、接続ジョイント、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、全体の組み立て時間は約1分20秒でした。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連続稼働させ、1日15時間、1回8秒ごとに18,000回以上のサイクルを実行し、歯とブリッジの接合部で最終的に破損が発生するまでテストしました。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用ケースに十分な強度を持つ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ジッパーの精度は3Dプリンティングの解像度に依存します。実現された最小の機能的ストリップ幅は8 mm（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展により、さらに小さなYジッパーが作成できるでしょう。いずれにせよ、Yジッパーは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一例です。3Dプリンティング／付加製造への投資Nano DimensionNano...
