ゼロから: 3D プリンティング技術を次のレベルに引き上げる

プリントされた組織の構造的完全性をサポートするために使用されるサポートバスで、解剖学的に複雑なプリントを可能にします。クレジット: パトリック・マンセル / ペンシルバニア州立大学クリエイティブ・コモンズ

2022 年 3 月 21 日

サラ・ラジュネス著

ティモシー・シンプソンは、最近では完全に米国で製造された数少ないカスタム腕時計の 1 つであるカスタム腕時計の誇り高い所有者です。ペンシルバニア州立大学の卒業生、RT カスター氏が所有する会社、Vortic Watch Company によって作成されたこの作品は、マサチューセッツ州ウォルサムで作られた美しい 1908 年の懐中時計で、3D プリントされたチタンの外殻に包まれ、カスタムのレザーストラップが取り付けられています。

3D プリントにより、「Vortic は骨董品に新たな命を吹き込み、ニッチなハイエンドの高級品を生み出すことができました」と、工学部デザイン・技術・専門プログラム学部暫定部長でポール・モロー教授のシンプソン氏は述べています。工学設計と製造の博士号を取得。

この技術の魅力の大きな部分は、従来の製造では不可能なレベルのカスタマイズが可能になることだとシンプソン氏は付け加えた。 3D プリントを使用することで、Vortic は同じ機械を使用してそれぞれのユニークな時計にカスタムのチタン製フィッティングを作成し、支払いを受け取った後に注文することができます。カスター氏をはじめ、ますます多くの人々にとって、3D プリンティングは製造への障壁を下げています。

「特にハードウェアベースの新興企業にとって、起業家精神が民主化される」とシンプソン氏は語った。「起業家は機械や設備に何百万ドルも投資する必要はありません。プリンターを数台購入するだけで、ものづくりを始めることができます。」

「能力の観点から見ると、私たちは積層造形において世界トップクラスの機関の一つです。」

ティム・シンプソン、ポール・モロー教授、工学設計および製造分野

実際、約 150 ドルを払えば、誰もが 3D プリンタを持ってウォルマートから出て、ますます増え続けるツール、おもちゃ、その他の装身具を作成できるようになります。しかし、近年、この技術はかなり洗練されてきました。その製品は、単なるプラスチック製の小物を超えて、金属、コンクリート、粘土、さらには生体材料で作られたハイテクアイテムを含むようになりました。ペンシルバニア州立大学の研究者たちは、現在積層造形として知られる分野の最先端におり、特に人間の健康、住宅、交通などの分野における差し迫った問題に対処することを目標に 3D プリンティングの機能の進歩に取り組んでいます。

別の野球ゲーム

「誰でもプリンターを購入し、そこに材料を入れる方法を学び、すぐに始めることができますが、3D プリンティングを実際に活用して、伝統的に作られたコンポーネントよりも優れており、より速く、より安価な部品を設計することは、また別の競技です」と同氏は述べた。シンプソン。「経済学、材料、デザイン、プロセスを理解する必要があります。これは接触スポーツです。本当にうまくやっていくためには、他の多くの分野の専門家と協力し、話し合う必要があります。」

ペンシルベニア州立大学の研究者がまさにそれを実行できる能力、つまり分野を超えた同僚と協力して問題のあらゆる要素とその解決策に取り組む能力が、同大学の強みであるとシンプソン氏は語った。「このため、能力の観点から見ると、当社は積層造形において世界トップクラスの機関の一つであり、その結果、新たな分野への拡大を続けています。」と同氏は付け加えた。

シンプソン氏の説明によると、積層造形という用語は、製造現場で機能コンポーネントを作成するための 3D プリンティングの使用を指します。一度に 1 つのレイヤーを構築してオブジェクトを作成するため、このプロセスは「加算的」です。「洞窟の天井から水が滴り落ち、鉱物の薄い層が堆積して洞窟の床に石筍が形成されることを考えてみてください」と彼は言う。対照的に、サブトラクティブマニュファクチャリングでは、最終部品が完成するまで材料を除去してコンポーネントを作成します。加算プロセスはその性質上、より柔軟であり、無駄がはるかに少なくなります。

このプロセスは 3D モデルから始まります。3D モデルは、プラスチック、金属、粘土、その他の物質などの材料をどのくらいの量、どこに堆積する必要があるかを正確に指定するオブジェクトのコンピューター支援設計 (CAD) 表現です。 3D プリンタが指示を読み取ると、指定された方法でノズルからプラスチックフィラメントをプリントベッド上に押し出すか、レーザーで金属粉末を層ごとに溶かして部品を形成します。ベースレイヤーが完成した後、プリンターはアイテムが完成するまで追加のレイヤーを追加します。

このようにして、ユーザーは想像できるほぼすべてのものを印刷できます。「私たちは 3D プリントを使用して、車や飛行機の部品、股関節や膝のインプラントなど、あらゆるものを製造しています」とシンプソン氏は語った。「数年前、『グレイズ・アナトミー』で、医師が患者の耳を新しいものに成長させて再建するエピソードがありました。私たちは今それを行うことができます。これは実際に起こっており、ペンシルバニア州立大学には耳の分野の一流の専門家がいます。 3Dプリントです。」

生体材料を使用した印刷

自分が MRI 装置の中の患者になったと想像してください。おそらくあなたは、回転スキャナーが組織や内臓のきめの細かい画像を生成するため、そのぴったりとしたトンネル内で動かずに横たわるという概念に精通しているでしょう。ここで、そのような機械が筋肉や皮膚の新しい層を堆積させたり、新しい器官を作成して取り付けたりすることによって、これらの組織を直接修復できると想像してください。これが、工学科学と力学、生体医工学、神経外科の准教授であるイブラヒム・T・オズボラットの夢です。オズボラットは 3D プリントを使用して、人間の健康に使用するためのさまざまな素材を作成しています。

「患者がバイオプリンターの下に横たわって、新しい皮膚が傷口に直接印刷される時代が想像できる」と同氏は語った。すでに、オズボラット氏と彼の研究グループは、ラットの頭蓋骨に骨と軟組織の両方をプリントすることに成功したと報告している。

イブラヒム・オズボラットの研究室で働く博士研究員ミジ・ヨー氏は、皮膚組織作製のための生細胞のマイクロバルブ・バイオプリンティングに取り組んでいる。クレジット: パトリック・マンセル/ペンシルベニア州立大学。クリエイティブ・コモンズ

「頭蓋骨の皮膚や骨の損傷の修復は、さまざまな種類の組織が何層にもわたって関与していることを考えると、特に困難です」と彼は言う。「これら 2 つの素材を同時に扱おうとするのは、さらに大きな課題です。」

現在、頭蓋骨の損傷を修復するには、患者の体の別の部分の皮膚や骨を使用する必要があり、追加の手術が必要になるか、死体の皮膚や骨を使用する必要があり、患者の免疫系による拒絶反応のリスクがあると同氏は説明した。研究のために、オズボラットと彼の同僚は代わりに、コラーゲンの混合物を使用して印刷可能な骨材料を作成しました。キトサン、貝類の外骨格から取れる糖。ナノヒドロキシアパタイト、歯のエナメル質の成分。骨形成タンパク質-2は、FDAが承認した骨再生用の成長因子です。皮膚には、コラーゲンと、肝臓で作られ血液凝固を助けるタンパク質であるフィブリノーゲンが使用された。

オズボラット氏は、ラットの頭蓋骨欠損を正確にスキャンした後、3D プリンターが 3D の「設計図」に従って、骨材料を傷の上に押し出し、続いてバリア材料、そして皮膚材料を押し出したと説明した。プロセス全体には 5 分もかかりませんでした。皮膚にできた幅6ミリの穴と骨にできた幅5ミリの穴を別々に修復した後、同じ手術手順で両方の修復に移った。「軟組織と硬組織を一度に修復する外科的方法はありません」とオズボラット氏は指摘する。

治癒には骨への血流が特に重要であるため、次のステップは血管新生の促進に役立つ化合物を追加することだと同氏は述べた。彼と彼のチームはすでにペンシルベニア州立ハーシー医療センターの神経外科医、頭蓋顎顔面外科医、形成外科医と協力して、この研究を人間への応用に応用しようとしている。

オズボラット氏と彼のチームは、皮膚や骨の修復に加えて、乳がんの研究を支援するために 3D バイオプリンティングを使用しています。最近の研究で、研究チームは腫瘍スフェロイドと呼ばれる腫瘍モデルを作成し、近くの内皮細胞（血管壁の内側を覆う細胞）や線維芽細胞（結合組織細胞）からの腫瘍細胞の距離が腫瘍細胞の増殖能力にどのように影響するかを研究した。彼らは、腫瘍細胞が内皮細胞または線維芽細胞に近づくほど、より積極的に転移する可能性が高いことを発見した。

「このような研究では、テストされる変数の精度を維持することが重要です」と化学博士候補者のマドゥリ・デイ氏は言う。「このプロジェクトでは、3D プリンティングを使用することで、主血管に対する腫瘍の位置を正確に調整できるため、腫瘍の成長に対する距離の影響を観察することができます。自然の腫瘍を使用すると、ばらつきが大きくなりすぎます。」

コンクリートを使った印刷

生体材料の 3D プリンティングには医療を変革する能力がありますが、この技術はまた、地球上だけでなく、おそらく宇宙においても、私たちの生活構造を設計および構築する方法を根本から見直す可能性があります。

最近、デザインイノベーションのスタッキーマン教授であるホセドゥアルテと建築准教授のシャディナザリアンは、学生と教員からなる学際的なチームを共同で率い、NASA のコンペティションで 2 位になりました。目標？ 3D プリンティング技術を使用して、火星に人間の避難所を作成できる自律システムを設計する。彼らの参加により、チームは型枠や金型を使わずに屋根を設置する世界初の完全 3D プリント構造を構築することに成功した、とドゥアルテ氏は語った。

「他のチームは屋根を個別に印刷し、その後その位置に持ち上げるか、印刷中の屋根の崩壊を避けるために型枠を使用しました」とドゥアルテ氏は付け加えた。

ドゥアルテ氏は、印刷システムへのユニークな貢献として、工学設計、テクノロジー、および専門プログラムの教授であるスヴェン・ビレン氏を称賛しました。「スヴェンはロボットアームに独創的な拡張機能を追加し、構造全体を印刷するのに十分な距離まで到達できるようにしました。これにより、私たちがいわゆる『設計の自由度』を高めました」とドゥアルテ氏は述べました。

コンテストのもう 1 つの課題は、完成した構造物として極端な環境条件に耐えられる特殊なコンクリートを 3D プリントすることでした。土木工学准教授のアレクサンドラ・ラドリンスカ氏は、セメントと具体的な挙動に関する専門知識をチームにもたらしました。コンクリートを使った 3D プリントは難しい場合があるとラドリンスカ氏は説明しました。混合物はプリントノズルから押し出すのに十分な流動性が必要ですが、その後は追加の層をサポートできるほど安定して強度が必要だからです。研究者らは、コンクリートを使った 3D プリントが正しく行われれば、より少ない材料を使用しながら、伝統的に建設されたものと同等の強度を持つ構造物を実現できることを示しています。

「小さなプリンターがあれば、一度に 1 部屋ずつ大きな家を建てることができます。すべてを現場で印刷できます。」

ホセ・ドゥアルテ、デザイン・イノベーションのスタッケマン・チェア

火星シェルターの競争は完全に地球上で行われたが、チームの最終製品は宇宙で構築できる可能性がある。しかし、得られた知識は、建設プロセスを簡素化し、スピードアップし、材料を節約することで、持続可能で低コストの住宅の選択肢を生み出すために使用されるだろうとドゥアルテ氏は述べた。彼と彼の同僚は、火星に匹敵する極端な温度のアラスカの僻地に構造物を配備する技術をすでに開発している。

アリ・メマリ氏、住宅建築建設部門のバーナード・ハンキン教授、ヘンリエッタ・ハンキン氏がコーディネートし、土木工学教授のミン・シャオ氏と建築工学教授のネイサン・ブラウン氏の協力を得て、チームはアラスカ対応の3Dプリントモデルを設計している。それには基礎、壁、屋根が含まれます。

「モデルは本質的には部屋であり、部屋を組み合わせてさまざまな構成のユニークな家を建てることができます」とドゥアルテ氏は語った。「こうすることで、小さなプリンターを使って、一度に 1 部屋ずつ、大きな家を建てることができます。すべてを現場で印刷できます。」

粘土を使って印刷する

トム・ローアーマン美術助教授は、3D プリントを使用して別の種類の構造物を構築しています。規模は住宅よりはるかに小さいですが、同じように興味深いものです。そして、彼が使用している材料である粘土は、彼の自宅の裏庭で見つけることができます。

「彫刻家として、私が長年取り組んできた媒体は陶磁器ですが、テクノロジーにも常に強い関心を持ってきました」とローアーマン氏は語った。「そこで、私は建築家や工業デザイナーが物をデザインするために使用するような 3D モデリングプログラムを学び始めました。それは、アイデアを引き出すのに効果的な方法だったからでもあります。私はこれらの 3D モデルを基本的に設計図として作成しました。それから私は何かを手作りしてみようと思いました。」

3D プリンティングが進歩するにつれ、ラウアーマン氏はその技術を利用してプラスチックの型を作り、そこからセラミックの物体を鋳造し始めました。「これは非常にうまくいきました。しかし、時間がかかり、面倒でした。」と彼は言いました。

トム・ローアーマンによる「階段」、テラコッタ粘土でプリント。黒い表面は、「封印された大地」を意味する「テラ・シギラタ」と呼ばれる古代の技術を使用して作成されています。クレジット: パトリック・マンセル / ペンシルバニア州立大学クリエイティブ・コモンズ

粘土を使って直接 3D プリントするというアイデアが生まれたのは、ローアーマンがシンプソンに技術的なアドバイスを求めたときでした。彼の目的に合った既製のプリンターがなかったため、ローアーマンはシンプソンの提案で工学部のラーニングファクトリーに行き、学生チームと協力してプリンターを作成しました。

バーナード M. ゴードンラーニングファクトリーは、工学部の学生がキャップストーン設計や他のコースと組み合わせて使用できる実践的な施設です。過去 5 年間、ローアーマン氏はこれらの学生たちと協力してカスタム 3D クレイプリンターを設計および構築してきました。

「最初に私たちが作ることができた物体は、本当に粗末なものでした。それらはとても小さくて小さなものでした」と彼は言いました。しかし現在、ラウアーマンの作品はより洗練されており、来年には正式な展覧会でそれらを展示する予定です。

「3D プリントを使用すると、ほぼ無限の可能性を実験できるようになります」と彼は言いました。「手作業では非常に難しい、非常に複雑な繰り返しパターンのものを作ることができます。また、小さな調整を加えたい場合でも、最初から再構築するという多大な労力を費やすことなく、それを行うことができます。」

金属を使った印刷

生物材料、セメント、粘土が 3D プリンティングを通じてエキサイティングな可能性への扉を開いていますが、シンプソン氏は「ここ 10 年間で真にスーパーチャージされた積層造形は金属です」と述べました。この技術は、サブトラクティブプロセスでは実現が非常に困難な複雑な曲線や空洞を備えた金属部品を作成できるまでに発展したと同氏は説明した。その結果はすでに自動車や航空機の製造、その他の産業に影響を及ぼし始めています。

シンプソン氏の同僚であるエドワード・「テッド」・ロイツェル氏は、ペンシルバニア州立応用研究所で金属 3D プリンティングを推進している十数人の研究者の 1 人です。ロイツェル氏は、イノベーションパークにある 8,000 平方フィートの施設である直接デジタル蒸着による革新的材料処理センター (CIMP-3D) を指揮しています。その最先端の機能と専門知識により、米国国防先進国の積層造形デモンストレーション施設として機能します。研究プロジェクト庁 (DARPA)。過去 10 年間で、CIMP-3D は 6,000 人以上の訪問者を受け入れ、新興企業 3 社をスピンアウトし、地域で 30 以上の新しい雇用を創出し、世界初の積層造形および設計大学院プログラムの立ち上げを支援してきました。現在、80 社以上の異なる企業から 200 名を超える業界専門家が登録しています。

ロイツェル氏は、2016 年に米海軍と協力して、世界初の 3D プリントされた飛行に不可欠なコンポーネント、つまりエンジンを海軍のフレームに固定するのに役立つチタンリンクの設計と構築において、米海軍航空システム司令部をサポートするチームを率いました。ティルトローター航空機。現在、ロイツェル氏と CIMP-3D の同僚は、初期段階の研究から産業用途への応用まで積層造形技術に焦点を当て、積層造形部品の品質を効率的に評価および改善する方法の開発を支援することに重点を置いています。

「積層造形は、オンデマンド生産を提供し、材料コストと製造コストを削減し、生産のための非常に柔軟な設計を可能にし、現在は実現不可能な機能と材料の組み合わせを生み出すことにより、製造業に革命を起こす可能性を秘めています。」とロイツェル氏は述べています。しかし、障害は依然として残っていると同氏は述べ、その一例として、「構築部品の品質管理慣行が確立されていないことが、より広範な採用に課題をもたらしている」と述べた。

ロイツェル氏が説明したように、複雑な部品の迅速な製造を可能にする 3D プリンティングプロセス自体は非常に複雑であり、プロセスの小さな変動は、ボイドや多孔性 (本質的には人間の髪の毛より小さい材料の穴) などの材料欠陥と相関関係がある可能性があります。これらの欠陥は亀裂や不安定性につながり、耐久性や安全性を危険にさらす可能性があります。

ロイツェル氏と、工学科学および機械学の准教授パリサ・ショコウヒを含む同僚は、物体が故障するまでの寿命を予測できる非線形共鳴超音波分光法や、X線コンピュータ断層撮影法など、そのような欠陥を特定するためのさまざまなプロセスを研究している。固体オブジェクト内の内部欠陥を視覚化できます。

材料科学工学および機械工学の准教授であるアリソン・ビーズ氏も、金属の品質管理に取り組んでいます。ペンシルバニア州立大学の積層造形およびデザイン大学院プログラムを指揮するビーズ氏は、望ましい特性を達成するために異なる特性を持つ材料を組み合わせた機能的に傾斜した材料に研究の多くを集中させています。

「添加剤革命の最先端にいることは非常にエキサイティングです。」

ティム・シンプソン、ポール・モロー教授、工学設計および製造分野

Beese 氏は、印刷プロセスに関連する温度、微細構造、機械的特性の関係も調査しています。たとえば、金属を積層造形する場合、プリンターに供給される原材料は、多くの場合、金属粉末またはワイヤ原料の形になります。これらの材料はレーザーまたは電子ビームで溶かされ、目的のオブジェクトの各層が追加されると、冷却して固化し、下の層に融合します。このプロセスでは急速な加熱と冷却のサイクルが導入され、その結果、鋳造または鍛造品で見られるものとは大きく異なる材料内の微細構造が生じます。「金属を構造用途に確実に使用するには、その機械的特性を理解し、予測可能にする必要があります」と Beese 氏は述べています。「私の研究室の研究は、最終的には品質管理と再現性の指標の定義に役立ち、新しい材料の開発につながる可能性があります。」

この方法で製造される消費者製品や工業製品が増えるにつれ、安全性と品質が最優先事項となっていますが、複数の材料を使用した 3D プリンティングも将来の研究が期待できる分野です。「家をプリントしたい場合、現在はコンクリートをプリントしますが、窓のためのスペースは残しておきます」とシンプソン氏は説明した。「窓を作るためにコンクリートを打設する過程で、透明なポリマーに切り替えることはできないでしょうか？」

積層造形のデジタル的な性質は、次世代ワイヤレスネットワーク技術である 5G が遠隔監視と操作の新たな機会を生み出すことを意味するとシンプソン氏は言います。「私たちの希望は、積層造形やその他のデジタル製造技術の新しいプロトコルを開発、展開、テストするためのプラットフォームとして機能する 5G テストベッドをキャンパス内に構築することです。」 5Gの導入により、「品質保証と品質管理に全く新しい道を開くことができる」と同氏は述べた。

すでに入手可能なカスタム時計から、将来テスト中の人工臓器に至るまで、3D プリンティングと積層造形により、従来の製品をより手頃な価格で持続可能な方法で生産できるようになり、旅行や住宅建設の方法を変える可能性のあるまったく新しい製品の作成も可能になりました。、そして私たちの健康を管理してください。ペンシルベニア州立大学では、研究者たちがこのテクノロジーを斬新で刺激的な方法で利用しており、すでに世界に影響を与えています。

「私たちの教員と学生は、現実世界の問題の解決を支援するために産業界と直接協力しています」とシンプソン氏は述べた。「ペンシルベニア州立大学の添加剤革命の最先端にいることは非常にエキサイティングです。そして、私たちが簡単に協力できる能力は、私たちの一人でできることをはるかに超えて、私たちの影響力を強化します。」

この記事は、Research/Penn State誌の2021年秋号に初めて掲載されました。

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