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4Dプリンターとは? モノづくりの可能性はどう開かれる?

レンテックインサイト編集部

ビジネス、個人利用を問わず、3Dプリンターがものづくりに与えたインパクトが大きいことに異論がある方はいないのではないでしょうか。
では、そんな3Dプリンターの「先」にある可能性、4Dプリンターについて皆さんはご存じでしょうか?
本記事では4Dプリンターの概要、そのものづくりに及ぼすであろうインパクト、現在の4Dプリンター・3Dプリンターを取り巻く状況についてご紹介します。

4Dプリンターは「時間によって変化する」 立体成型技術

4Dプリンターは平たく言うと、3Dプリンターに「時間によって変化する」という概念を取り入れた成型技術のことを指します。
縦・横・奥行に「時間」を加えた4次元(Dimension)に関わるため4Dプリンターといわれています。
例えば熱を加えることで元の形状に戻る形状記憶ポリマーを素材として用いるのが、4Dプリンティングの手法です。ほかにも水分や圧力、磁力、時間経過など何らかの外部環境の変化に対応して変化する「知能材料(インテリジェント材料)」を用いるのが4Dプリンティングの手法の一種です。

4Dプリンターの技術は2013年、マサチューセッツ工科大学(MIT)所属の研究者、スカイラー・ティビッツ氏が、あらゆる専門家がプレゼンテーションを行うTEDトークにて「The emergence of “4D Printing”(世界を変える4Dプリンティング)」という演題で紹介し、広く知られることになりました。

それから8年。3Dプリンティングが市場、そして個人にとって身近なものになるとともに4Dプリンティングの実用化もどんどん進んできています。

4Dプリンターの持つ4つの可能性

「4Dプリンターは実際のところ何の役に立つのだろうか」と疑問に思った方もいるでしょう。その可能性は想像以上に多岐にわたります。

環境に適応する

例えば太陽の方向に応じて角度を変える太陽電池や、生体に吸収される医療器具、周囲の環境によって剛性を変える自動車の外装などが4Dプリンターによって可能になるかもしれません。このように環境に適応して変化する新しいものを生み出せるのが4Dプリンターの最もユニークな可能性です。そのため、宇宙開発や医療、軍事といったさまざまな環境への適応を目指す分野からの注目を集めています。

自己保全・修復する

以前から形状記憶の性質を持つ素材は製品に応用されており、例えば衝撃を受けても元の形に戻る形状記憶メガネなどが代表的な例として挙げられます。そのように変化する性質を自己修復に応用するのが4Dプリンターの可能性の一つです。それらを4Dプリンターによって簡単に生み出せるようになれば、大きな実用性につながると言われています。

勝手に組み立てられる

自動的に組み立てられる家具、というのは4Dプリンティングのイメージで最も身近なものとしてよく例に出されます。組み立ては20世紀から続くものづくりにおいてロボットに代替されつつも多くの場合当たり前の工程として存在しました。4Dプリンターはその概念を覆すかもしれません。そしてそれはものづくりにおける生産性を大きく高める可能性につながります。

動力を生み出す

環境に適応し、変化する性質をさらに応用して、動力を生み出す可能性についても4Dプリンターでは言及されています。例えば水温の変化によって収縮、膨張を繰り返し、推力を生み出す潜水艦などはその可能性の一つです。他にも磁力を応用する、水分を吸って膨張する性質を利用するなど、変化を動力へつなげる手法はさまざまに研究されています。

第五次産業革命と4Dプリンティング

みなさんは第五次産業革命という言葉をご存じでしょうか。
軽作業の機械化による第一次産業革命、重工業の機械化による第二次産業革命、コンピューターの登場による第三次産業革命、人工知能やIoTを応用した現在進む第四次産業革命の先にある産業革命のことで、コンピューター技術とバイオテクノロジーを融合した技術がその中心となると言われています。

それによって生み出されているのが、クモの糸の遺伝子情報を応用した多様な特性を持つ繊維や、これまでにない衝撃耐性を持つ樹脂など。4Dプリンティングを前提として、例えば特定の環境下で指定の変化を起こす素材を生み出すことなども今後可能になってくるかもしれません。

これが、時代の流れと4Dプリンターがマッチしていると言われる理由です。実際、先に挙げた4Dプリンティングの先駆者であるスカイラー・ティビッツ氏も、生物の形態や機能にヒントを得る生物模倣(バイオミメティクス)をヒントに、変化を人間がプログラミングできる素材の開発・実用化に取り組んでいるそうです。

4Dプリンティングは日本の強みとなるか?

3Dプリンターの先にある技術、4Dプリンターの概要や意義、第五次産業革命との関係性についてご紹介しました。まだまだ実用化というよりは研究の段階にある技術ですが、世界的に論文数は増加しています。機能性材料の研究開発で国際競争力を持つ日本の産業にとって強みを発揮できる分野ではないかとも考えられます。
今のうちにぜひ注目してみてはいかがでしょうか。

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