3Dプリント技術は、もともとMITでの研究から生まれたものだが、近年は急速に発展し、プラスチックや金属を含む多様な素材に対応するまでになった。同時に、3Dプリンターの価格も十分に下がり、家庭で使える消費者向け製品となっている。
今回、MITの研究チームは、光学的に透明なガラス製品を3Dプリントする能力という、3Dプリントの新たな領域を切り開いた。
この新しいシステムは、 Journal of 3D Printing and Additive Manufacturing誌で紹介されており、MITメディアラボの准教授であるNeri Oxman、MITガラスラボの所長であるPeter Houk、MITの研究者であるJohn KleinとMichael Stern、そして他6名によって開発された。
他のグループもガラス製品の3Dプリントを試みてきたが、大きな障壁となっていたのは、素材を溶かすのに必要な極めて高い温度である。ガラス粒子を微細化し、焼結と呼ばれる手法でより低い温度で結合させる方法を用いたグループもあった。しかし、そうして作られた製品は構造的に脆く、光学的に曇っており、ガラスの最も望ましい特性である強度と透明性のうち二つを損なってしまう。
MITチームが開発した高温システムは、これらの特性を保持しており、強度と完全な光透過性を兼ね備えたガラス製品を生み出す。現在市販されている他の3Dプリンターと同様に、この装置はコンピュータ支援設計プログラムで作成されたデザインを印刷でき、人の手をほとんど介さずに完成品を生み出せる。
現行版では、溶けたガラスは従来のガラス吹きの窯から集められた後、装置上部のホッパーに投入される。完成した製品は、組み立てに使われた移動式プラットフォームから切り離す必要がある。
動作時には、装置のホッパーと、ガラスを押し出して製品を形成するノズルが、約華氏1,900度に保たれる。これは他の3Dプリントで使われる温度よりもはるかに高い。ノズルから出る発光する溶融ガラスの流れは、プラットフォーム上に巻きつくように落ちていく際に蜂蜜に似ており、冷えながら固まっていく。
研究チームが直面した課題の一つは、ガラスのフィラメントを、次の層が接着するほど高温に保ちつつ、構造物が形を失って塊に崩れるほど高温にはしないことだった。最終的に、必要な温度に個別に加熱できる三つの独立した構成要素を作製した。すなわち、溶融ガラスを貯蔵する上部の貯留槽、その下部のノズル、そして印刷された製品が積み上げられる下部のチャンバーである。
Klein氏によれば、このコンセプトは付加製造の講座での課題として始まった。初期の作業でアイデアに可能性があることが示され、彼と他のメンバーはコンセプトを練り上げることを決めた。しかし、依然として長く手間のかかる工程で、試行錯誤が多く必要だった。
「ガラスは本質的に非常に扱いが難しい素材だ」とKlein氏は述べる。その粘度は温度によって変化するため、工程のすべての段階で温度を精密に制御する必要がある。
Oxman氏によれば、この新たなプロセスにより、製造可能なガラス形状を前例のない水準で制御できる可能性がある。
「ガラス吹きでは内部の形状が外側の形状を反映するが、私たちは可変的な厚みと複雑な内部構造を持つ部品を設計し、印刷できる」とOxman氏は説明する。さらに例として、「太陽光の透過率を制御することができる。…プレス成形やガラス吹きの部品は必ず滑らかな内面を持つが、印刷された部品は内外両面に複雑な表面構造を持つことができ、そうした構造は光学レンズとして機能しうる」と付け加える。
Oxman氏はさらに、このプロセスがはるかに大きな構造物の製造にも応用できると見込んでいるという。
「建築における、形状と機能を別々に区切る従来の伝統を超えて、構造性と透明性を同時に備えた一体型の建築外皮を生み出せないだろうか？」と彼女は問いかける。「ガラスは構造性と透明性を同時に備えているため、構造性能と環境性能を一つの統合された外皮に組み込むことが比較的容易に考えられる」。
Houk氏は、研究をさらに進めるための方向性をいくつか挙げている。その一つは、機械式のプランジャーまたは圧縮ガスによってシステムに圧力を加え、より均一な流れを作り、それによって押し出されるガラスフィラメントの幅をより均一にすることである。今後の作業では、チームが限定的な試験ですでに実証した、ガラスへの着色にも焦点が当てられる。
Klein氏によれば、この印刷システムは、MITの柔軟な学科の境界によって促進された学際的な取り組みの一例である。今回のケースでは、メディアラボ、機械工学科、そして材料科学工学科の一部であるMITガラスラボのチームメンバーが参加した。
MITでは、研究チームのメンバーにMarkus Kayser、Chikara Inamura、Shreya Daveも含まれていた。さらに、ハーバード大学のWyss Institute for Biologically Inspired EngineeringのJames Weaver、そしてイタリアのパドヴァ大学のGiorgia FranchinとPaolo Colomboも加わった。
本記事は MIT Newsとの協力により掲載されたものです。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の承認を意味するものではありません。
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執筆者：David L. Chandlerは、MIT Newsに寄稿している。
画像：2014年のComputex展示会（台北のTWTC Nangang展示ホール）で、AuroraのAurora 3Dプリンター F1によって造形されたフィギュア。REUTERS/Pichi Chuang
