新しい3Dプリンティング手法が超強力材料を「成長」させる

December, 2, 2025, Lausanne--EPFLの研究者は、水性ゲル内で金属やセラミックを成長させる3Dプリンティング方法を開発し、その結果、次世代エネルギー、生物医学、センシング技術のための非常に緻密でありながら複雑な構造が実現した。

バット(Vat)光重合は、感光性樹脂をバットに流し込み、レーザまたはUV光を使用して選択的に目的の形状に硬化させる3Dプリンティング技術。しかし、このプロセスは主に感光性ポリマでのみ使用されるため、有用なアプリケーションの範囲が制限される。

これらのプリントされたポリマをより丈夫な金属やセラミックに変換するためにいくつかの3Dプリンティング方法が開発されているが、EPFL工学部の材料および製造化学研究所の所長であるDaryl Yeeは、これらの技術で製造された材料は深刻な構造上の後退に悩まされていると説明している。「これらの材料は多孔質になる傾向があり、強度が大幅に低下し、部品が過度に収縮して反りを引き起こす」と同氏は指摘している。

現在、Yeeとそのチームは、この問題に対する独自の解決策を説明する論文をAdvanced Materialsに発表した。EPFLチームは、以前の方法のように、金属前駆体を事前に注入した樹脂を光を使用して硬化させるのではなく、まずハイドロゲルと呼ばれる単純な水性ゲルから3Dスカフォールドを作る。次に、この「ブランク」ヒドロゲルに金属塩を注入し、構造に浸透する金属含有ナノ粒子に化学的に変換する。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を生成できる。

5〜10回の「成長サイクル」の後、最後の加熱ステップで残りのヒドロゲルが燃焼し、完成品、つまり前例のない密度と強度を備えた元のブランクポリマの形をした金属またはセラミックの物体が残る。ハイドロゲルには製造後にのみ金属塩が注入されるため、この技術により、単一のヒドロゲルを複数の異なる複合材料、セラミック、または金属に変換できる。

「われわれの研究は、アクセスしやすく低コストの3Dプリンティングプロセスで高品質の金属やセラミックの製造を可能にするだけではない。また、材料の選択が3Dプリンティングの前ではなく、3Dプリンティングの後に行われるという積層造形の新しいパラダイムも浮き彫りにしている」(Yee)。

ターゲットは高度な3Dアーキテクチャ
研究のために、チームは鉄、銀、銅からジャイロイドと呼ばれる複雑な数学的格子形状を作製し、強力でありながら複雑な構造を生成する技術の能力を実証した。材料の強度をテストするために、チームは万能試験機と呼ばれる装置を使用して、ジャイロイドに圧力を増加させた。

「われわれの材料は、以前の方法で製造されたものと比較して20倍の圧力に耐えることができ、収縮は60〜90%に対して20%の縮小しか示さない」とPh.D学生で筆頭著者のYiming Jiは話している。

科学者たちによると、その技術は、センサ、生物医学デバイス、エネルギー変換と貯蔵のためのデバイスなど、強力で軽量かつ複雑でなければならない高度な3Dアーキテクチャの製造に特に興味深い。たとえば、金属触媒は、化学エネルギーを電気に変換する反応を可能にするために不可欠である。その他のアプリケーションには、エネルギー技術向けの高度な冷却特性を備えた高表面積金属が含まれる可能性がある。

今後を見据えて、チームは、特に材料の密度をさらに高めることで、業界による導入を促進するためのプロセスの改善に取り組んでいる。もう一つの目標はスピードである:注入ステップを繰り返すことは、より強力な材料を製造するために不可欠だが、ポリマを金属に変換するための他の3Dプリンティング技術と比較して、この方法に時間がかかる。「われわれはすでに、ロボットを使用してこれらのステップを自動化することで、総処理時間を短縮することに取り組んでいる」とYeeは話している。