新しいプロセスにより、インク直接書き込み3Dプリント材料の引張応力が200%増加

新しいプロセスにより、インク直接書き込み3Dプリント材料の引張応力が200%増加
出典: 高分子科学の最前線

直接インク書き込みは、新興の 3D 印刷技術です。この技術は、せん断減粘性を持つ半固体インク材料を印刷ノズルから押し出し、インクを層ごとに積み重ねて、事前に設計された 3 次元構造を構築します (図 1)。しかし、印刷された材料の層間には一般に強い力(化学結合など)がないため、層が滑りやすく、材料の横方向の機械的特性が弱くなります。したがって、層間力を改善することが、インク直接書き込み 3D プリント材料の全体的な機械的特性を向上させる鍵となります。

図 1. インク直接書き込み 3D 印刷プロセスの概略図。画像出典: 米国ローレンス・リバモア国立研究所 最近、テネシー大学とオークリッジ国立研究所のマーク・D・ダドマン氏のチームは、インク直接筆記材料の機械的特性を大幅に向上できる戦略を実証しました。市販のポリ乳酸インクに分子量35kDaのポリ乳酸とメタクリレート末端基を加えることで、印刷構造の最大横方向引張応力が140%~200%増加しました。関連する研究はMacromoleculesに掲載されています。



著者らは、PLA 添加剤と UV 光架橋を組み合わせて、市販の PLA インク直接書き込み構造の機械的特性を改善しました。まず、分子量35kDaで末端基にメタクリレート基を持つ線状または星型のポリ乳酸をインクに導入しました(図2)。これまでの研究では、これらの PLA 添加剤は印刷プロセス中に構造の表面に蓄積されることが示されています。次に、インクを押し出して堆積させた後、紫外線をその場で照射して(図3a)、インク中のジエチルベンゾエート(DMPA、0.5重量%)の分解を促し、フリーラジカルを発生させ、表面のポリ乳酸添加剤を架橋させて各層をしっかりと固定します(図3b)。



図 2. PLA 添加剤の末端にメチルメタクリレートを結合するプロセスの概略図: (a) 線状 PLA 添加剤、(b) 星型 PLA 添加剤。 TEA:トリエチルアミン。画像出典: Macromolecules
図 3. (a) UV in-situ 照射実験装置、(b) UV 架橋プロセスにより隣接する層が固定され、層間の滑り抵抗と横方向の引張応力が増加します。画像出典: Macromolecules 強化された層間力のおかげで、インクで書き込まれたポリ乳酸構造の最大横方向引張応力が大幅に改善されました。機械試験では、ポリ乳酸添加剤を含み、UV架橋後の構造の縦方向の引張応力は、添加剤を含まないブランクグループと比較して大きな変化はありませんが、横方向の引張応力は大幅に増加していることが示されています。具体的には、3 mol% の線状および星型 PLA 添加剤を含む 3D 構造の最大横方向引張応力は、それぞれ 140% と 200% 増加して 35 MPa と 45 MPa になりました (図 4)。サンプル断面の走査型電子顕微鏡(SEM)画像では、UV架橋サンプルの層間の多孔性が大きいことが示されています(図5)。これは、架橋後に材料の層間の流動性が低下し、破損する前に滑りにくくなることを示しています。

図 4. さまざまなインクで直接 3D プリントされた PLA 材料の最大縦方向および横方向引張応力: (a) 線形 PLA 添加剤 (PLADM) グループと (b) 星型 PLA (PLATM) 添加剤グループ。画像出典: Macromolecules
図5. 異なるインクで直接印刷されたPLA材料の引張試験断面のSEM画像:(a、b)線状PLA添加剤グループと(c、d)星型PLA添加剤グループ。 (a、c) UV架橋なし、(b、d) UV架橋あり。図中のパーセンテージは多孔度です。スケールバー: 200 μm。画像ソース: Macromolecules 著者のコメント: 紫外線を使用してポリマー材料を架橋して強化するという考えは新しいものではありませんが、この研究は、この戦略を 3D プリントという新興分​​野に巧みに適用して困難な問題に取り組むことができ、アプリケーション レベルでは有益な試みです。

詳細については、元の記事をご覧ください。
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.9b01178

直接インク書き込み、オークリッジ、テネシー大学、半固体

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