事業目的例 #1
はじめに
4Dプリンティング – 定義
3Dプリント技術に4次元を導入することを「4Dプリンティング」と呼びます。 この新しい次元により、3Dプリントされたオブジェクトは、光、熱、電気、磁場などの外部刺激の影響を受けて、自ら形状を変化させる能力を持つようになります。 時間の次元を統合することで、電気機械部品や可動部品を一切使用せず、状況に応じてダイナミックに形状を変化させることができます。 3Dプリントされたオブジェクトのこの形状変化現象は、特定の刺激に反応して時間とともに変形する材料の能力に基づいており、プロセスを支援するための人間の介入は必要ありません。
3Dプリントからの4Dプリントの出現
付加製造技術である3Dプリントは、現代の製造分野において最も破壊的なイノベーションの1つと見なされています。 それは、産業界における部品/コンポーネントや装置の製造方法を、その設計や開発とともに完全に変えてしまった。 3Dプリンティングは、従来の製造方法では不可能とされていた複雑な形状や構造の開発を可能にします。 3Dプリンティング技術は、過去30年の間に絶え間ない進歩を遂げ、飛躍的に発展してきました。 複雑な、生物にヒントを得た、複数の材料を使用したデザインを作成する能力があるにもかかわらず、3D 印刷は大規模な製造に採用されるには至っていません。
自動折り畳み式パッケージ、適応型風力タービンなど、さまざまな用途で柔軟なオブジェクトに対するニーズが高まっていることが、4D 印刷の出現に拍車をかけています。 研究者たちは現在、単一の材料から構造を作製する従来の3Dプリントの先を見据え、メタ材料構造を開発している。 メタマテリアル構造とは、外部からの刺激によって構造的な応答が重なり合うような異なる材料を組み合わせることによって生成される構造である。 異なる材料を一致させて印刷することで、材料の異方性が形成され、軸に沿って曲げたり、伸ばしたり、ねじったり、波打ったりして、物体の構造を変化させることが可能になる。 研究者たちはさらに、こうした構造変化を拡大して、ロッカー、リフター、マイクロチューブ、ソフトロボット、玩具などを作ろうとしている。 3Dプリントと4Dプリントの大きな違いは、プリントする材料の種類とプリント設備です。 
4Dプリントの材料と技術
主要研究分野
4Dプリント技術はまだ初期段階にあるため、それに使用する材料はごくわずかです。 しかし、3Dプリンティングの研究と進歩が、4Dプリンティングの新たな可能性をもたらすと期待されている。 
スマートマテリアルは、4Dプリントで非常に注目されている研究分野の1つで、さまざまな外部刺激に対する反応に応じて、さまざまな材料の変形機構を合成するものである。 装置設計では、複数の材料を整合的に印刷できる高度なプリンタ技術の開発を扱います。 現在、4Dプリンティングには、ダイレクトインクジェットキュア、溶融積層造形、ステレオリソグラフィー、レーザー支援バイオプリンティング、選択的レーザー溶融法などが用いられています。 数理モデリングの研究は、4Dプリントオブジェクトの機能的な構造を理解するために不可欠である。 刺激によって引き起こされるオブジェクトの変形（前方）と形成（後方）のプロセスを予測します。
材料選択
4Dプリント用の材料は、その環境または反応する外部刺激に基づいて分類されます。 スマートマテリアルは現在、以下のカテゴリに分類されています：
熱応答性材料
これらの材料は、形状記憶効果（SME）のメカニズムに基づいて動作します。 形状記憶合金（SMA）、形状記憶ポリマー（SMP）、形状記憶ハイブリッド（SMH）、形状記憶セラミックス（SMC）、および形状記憶ゲル（SMG）に分類されます。 多くの研究者は、印刷が容易なSMPを好んで使用している。
水分応答材料
水や水分と接触すると反応する材料が、このカテゴリに分類されます。 このような材料は、水が豊富に手に入るため、研究者に広く好まれている。 水と激しく反応するハイドロゲルは、このカテゴリーに分類されるスマートマテリアルの一つである。 たとえば、ヒドロゲルは水と接触すると、元の体積の最大200%までサイズを大きくすることができます。
光/電気/磁気応答材料
これらの材料は、光、電流、および磁界に反応します。 例えば、光応答性発色団をポリマーゲルの特定位置に注入すると、自然光に当たったときに光を吸収して膨らみます。 同様に、エタノールを含んだ物体に電流を流すと、エタノールが蒸発して体積が増え、マトリックス全体が膨張する。 磁気ナノ粒子は、プリントされたオブジェクトに埋め込まれ、オブジェクトの磁気制御を得ることができます。
Applications of 4D Printing
あらかじめプログラムされた知的オブジェクト（スマート材料を使用して作成）という考えは、さまざまな産業で応用できると思われます。 しかし、新しい技術であるため、アプリケーションのほとんどは現在、研究&開発段階にある。 4Dプリンティング技術の主な最終用途は、ヘルスケア、自動車、航空宇宙、消費者産業から生まれると予想される。 しかし、4D 印刷の可能性は、近い将来、エレクトロニクス、建設、工業など、他の産業にも影響を与えると予想されます。
4D 印刷の分野における現在の研究のいくつかを、以下の図表 5 に示します。
BMW が MIT と共同で開発した自己膨張性材料（上記の表に示すとおり）は、複数の専門家の関心を集めました。 シリコンでできたこの材料は、空気パルスによってトリガーされると膨らみ、空気圧の未来となるかもしれません。 上記の例以外にも、4Dプリンティング業界の主要なプレーヤーが行っている研究&開発活動がいくつかあります。 例えば、ヘルスケア産業での応用例としては、「標的薬物送達」、外科的侵襲を最小限に抑える「ステントの作製」、形状を変える「スプリント」の開発などが挙げられます。 また、「ソフトロボティクス」や「油圧・空気圧アクチュエータ」の開発も、この産業領域における重要なアプリケーションの一つです。 5251>
以下の図表 6 は、産業界のさまざまなアプリケーションに 4D 印刷が与える影響の可能性を説明しています。
Technology Maturity of 4D Printing
以下の図表 7 は、4D 印刷の技術開発の現在のフェーズを紹介しています。 ハイプ サイクルは、3D 印刷のいくつかの進歩がまだライフサイクルのイノベーションの引き金と期待を膨らませる段階にあることを明確に示しています。 これは、3D 印刷にはまだ長い道のりがあり、3D 印刷の後継である 4D 印刷は進歩が遅れる可能性があることを示唆しています。 しかし、4Dプリンティングの進化が3Dプリンティングの後を追うことは必須ではありません。 3Dプリンターの機能 (複数の材料を一致させて印刷し、複数の軸で印刷する機能) を除けば、スマート材料や数学的モデリングに焦点を当てた他の研究分野は、あからさまに3Dプリンティングに依存しているわけではありません。
結論 – 機会と課題
4D プリントに固有の研究開発プロジェクトが、ヘルスケア、エレクトロニクス、自動車、航空宇宙および防衛、家電製品（ファッションおよび耐久消費財）、繊維、建設および工業機械などの産業において進行しています。 4Dプリンティングは新しい技術であるにもかかわらず、潜在的な機会は膨大であり、この分野の複数の専門家が認めている。
4Dプリンティングの市場は、多くの研究開発活動により確立され始めている。 市場成長についての意見は専門家の間で様々である。 この技術に対する楽観的な見方では、CAGR約33％で市場が成長する（市場規模が2019年の3500万米ドルから2025年には2億米ドルに増加すると推定される）とされている。 しかし、初期段階の新規技術であることから、フューチャーブリッジは、4Dプリンティング市場は2025年までに20％とやや遅い速度で成長すると予測している（図表8参照）。
有望な技術であるにもかかわらず、4Dプリンティングが広く採用されるには、いくつかの技術的ハードルを克服しなければならない。 印刷業界における主な課題には、複雑なオブジェクトのサポート構造を提供する能力の欠如、マルチマテリアル・プリンターの不足、低コストのプリンターとスマート材料の不足、印刷時間の短縮、および長期的な印刷オブジェクトの信頼性の制限などがあります。 5 軸印刷装置など、印刷技術には一定の進歩があり、複雑な内部構造の支持構造を構築する問題を解消できると期待されていますが、その他の課題はまだ残っています。
さらに、動作が遅く不正確、変形の中間状態を制御できない、材料の入手が困難などの課題も、4D 印刷技術の採用を遅らせる理由になっています。 しかし、メーカーが示す関心と、4Dプリンティングに関する研究開発活動の高密度レベルを考慮すると、この技術は予測されるペースよりも速いペースで指数関数的なジャンプをする可能性があります。 最後に、技術的な変化や進歩の最前線に立ちたいと考えるメーカーは、4Dプリンティングの技術的な進歩や潜在的な意味合いについて把握しておく必要があります
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