柔軟な熱可塑性ポリマーを使用した3Dプリント光学系の新しい方法

出典: 3Dプリンター

需要が高いにもかかわらず、ほとんどの光学材料は最先端の製造技術を使用して希望の形状に製造するのが困難ですが、アーカンソー大学 (UARK) の研究者は、商業的には Clear Ballistic gel として知られる、柔らかく伸縮性のある熱可塑性ポリマーで使用できる新しいマイクロ押し出しベースの 3D 印刷方法を開発しました。この新しい技術の発明により、通常の熱溶解積層法 (FDM) プリンターで防弾ゲルを印刷できる安価な方法が実現しました。防弾ゲルは、防衛、医療、光学産業で多くの用途を可能にする新しい種類の材料です。

光学部品の 3D プリントは、幅広い用途の複雑な光学デバイスを製造する上で大きな可能性を秘めています。しかし、ガラスなどの従来の光学材料を使用した印刷は、困難でコストがかかることが判明しています。アーカンソー大学では、柔らかく伸縮性のある光学材料を使用して光学デバイスを 3D 印刷する新しい低コストの方法を開発しました。これにより、この特定の分野に新たな扉が開かれます。この方法とアプローチの共同作成者である Edidiong Nseowo Udofia 氏は、最近 UARK で機械工学の博士号を取得しました。

ウドフィア氏とUARK機械工学部の助教授であるウェチャオ・ゾウ氏が発表した論文によると、熱可塑性ポリマーを3Dプリントするための市販のFDMプリンターは多数あるが、弾道ゲルの柔軟性のため、現在のところそれらに適合するものはない。この問題を解決するために、研究チームは、防弾ゲルを連続的に溶かして押し出す低コストの注射器ベースのプリントヘッドを開発しました。この防弾ゲルは、約 70°C で溶け始めます。カスタム設計されたプリントヘッドは、インク貯蔵庫と堆積ノズルとして機能する 30 mL のガラス製シリンジで構成されており、両方とも加熱されたアルミニウムチャンバー内に収納されており、ゲルの加熱と押し出しを容易にします。次に、プリントヘッドを独自のカスタム 3D プリンターに取り付けました。ゲルは最初に溶融され、デジタルバルブを使用して堆積圧力を制御することによってノズルから押し出されます。

研究者らは、プリントヘッドは詰まりを防ぐよう特別に設計されていると主張している。また、温度変化を最小限に抑えながら 70 ～ 130°C の温度を維持でき、100 マイクロメートル (μm) 未満の針サイズで印刷できます。

「クリアバリスティックスゲルは市販されているソフトゼラチン素材で、主な市場は弾道テストです。ゲルプリントシステムを作成するというアイデアは、医療市場における手術前計画、医療研究、教育、トレーニング用の解剖モデルの作成のニーズから生まれたもので、私の指導教官である Wenchao Zhou が始めたものです。しかし、研究を進めるうちに、ゲルの光学的な透明性が、柔らかく伸縮性のある光学部品の製造に魅力的な素材になる可能性があることが明らかになりました。これは光学分野におけるまったく新しい方向性です」と Udofia 氏は続けます。

カスタム設計されたプリントヘッドと堆積ノズルは、加熱されたアルミニウムチャンバー内に収納されており、ゲルの加熱と押し出しを補助します。

「クリア・バリスティックス社のゼラチンの印刷に加え、当グループが開発した印刷システムは、理論的には、比較的低温で液体状態に溶けるあらゆる材料を印刷できる」とウドフィア氏は説明した。

この研究は、アーカンソー大学機械工学部にある先進製造AM3研究所で行われ、2015年以来、ウドフィア氏はこの研究所で博士号を取得している。学生向けの施設で、リソグラフィー技術や FDM 3D プリンター、CNC ミル、マルチマテリアル 3D プリンター、3D スキャナー、高倍率顕微鏡などが装備されています。研究者らはまた、昨年AM3 Labsからスピンアウトしたスタートアップ企業AMBOTSがこの技術の特許を申請していることにも言及した。
同社のマイクロ押し出しベースの 3D プリンター技術では、サポート槽やサポート材料を必要とせずに、屋外でゲルを印刷できます。 Udofia 氏によると、既存の印刷光学技術では、印刷プロセス中に慎重に設計されたサポート材料が必要であったり、極端な後処理条件下で使用したりするため、このアプローチはさまざまな用途に非常に不適切です。

彼らは、独自の最先端照明、平面および 3D 共形表面上の光波ビームスプリッターとコンバイナー回路、光学エンコーダーなど、さまざまな光学技術を使用してそれがどのように機能するかを実演しました。彼らはまた、導波管（電磁エネルギーを伝送するために使用されるデバイス）を印刷し、98％を超える優れた光透過性を示すことに気付きました。

ゲルプリントにはゲル成形に比べていくつかの利点があり、主に、複雑なモデルを低コストで製造でき、処理時間が短く、使いやすいという点が挙げられます。

ターゲットアプリケーションとしては、FDM プリンターを所有する顧客や Ultimaker や Makerbot などの FDM プリンターサプライヤにプリントヘッドを販売することや、熱可塑性プラスチックやゲル印刷機能を備えた完全な FDM プリンターを提供することなどが挙げられます。

製造プロセスのシンプルさ、低コスト、優れた光学性能、柔軟性により、集積光学デバイスを製造する魅力的な方法が提供され、光を制御するための新たな機会が提供されます。世界中の企業は、望ましい特性を持ち、光学系と互換性のある材料を使用して、複雑な光学構造を低コストで作成する方法を模索しています。

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