浙江大学のHe Yong教授の研究グループ：多材料高弾性シリコンの汎用3Dプリント方法

出典：He Yong教授のブログ

シリコンやシリコンゴム (PDMS) などの代表的な柔らかい材料は、フレキシブル電子機器、医療機器、ウェアラブルデバイス、フレキシブルロボットに広く使用されています。しかし、現在のシリコン材料のほとんどは、硬化時間が長く粘度が低いため、3D プリントには適していません。この論文では、シリコーンおよび PDMS のような柔らかい材料用の汎用 3D 印刷ソリューションを提供します。これにより、元の機械的特性を変えることなく、さまざまなシリコーンの効率的で高品質な印刷を実現できます。彼らは印刷の理論モデルを確立し、シリコーンベースのエラストマーの印刷性を体系的に分析し、レオロジーおよび印刷性を改善するためにナノシリカを導入しました。また、伸縮性2000％以上の高弾性シリコンを3Dプリントで高品質に形成できることも初めて報告された。マルチマテリアル 3D プリントの展望を示すために、医療用義肢、データグローブ、ソフトロボット用人工筋肉をプリントしました。さまざまなシリコーンの 3D プリントに対する体系的なソリューションは、ソフトマテリアルの幅広い応用をサポートします。

シリコーンエラストマーは、優れた柔軟性と生体適合性を備えているため、医療用義肢、フレキシブル電子機器、ソフトロボットなどに広く使用されています。しかし、粘度が低く硬化時間が長いため、高性能シリコーンエラストマーの多くは高精度で印刷することができません。

浙江大学機械工学部のHe Yong教授の研究グループは、シリコーンエラストマーの印刷問題を解決するために、シリコーン3D印刷戦略を提案しました。彼らは、材料、設備、プロセスという3つの観点から、シリコーン3D印刷が現在直面している技術的な困難を体系的に研究し、対応する解決策を提案しました。具体的には、レオロジー改質剤（ナノシリカ）を加えることでシリコーンの印刷性を向上させ、混合と印刷を同時に行うノズルを使用することで印刷時間を無制限に延長しました。同時に、印刷の速度と精度を向上させるために、印刷プロセスの理論モデルを確立し、これを使用してシリコーン印刷の精度を正確に予測および制御できるようになりました。この包括的な戦略は、3D プリントシリコンの応用に関する強力なガイドラインを提供します。

図 1. シリコーン 3D 印刷戦略の全体的な枠組みシリコーンを印刷可能にするために、市販のシリコーンにレオロジー改質剤としてナノシリカを加えました。シリカゲルに分散したナノシリカ粒子はシリカゲル分子鎖と弱い相互作用を持ち、材料システムの粘度を大幅に増加させます。せん断力の作用により、これらの相互作用は破壊され、それによって材料システムの粘度が低下します。この原理に基づき、シリコーンは押し出し印刷後も構造崩壊することなく設計された形状を維持することができます。同時に、市販の2成分シリコーンも室温でゆっくりと固まります。シリコーンを事前に混合してから印刷すると、印刷可能な時間が大幅に制限されます。そのため、オンザフライで混合するプリントヘッドを使用しました。このプリントヘッドでは、シリコンの 2 つの成分が別々に保存され、印刷中に同時に押し出され、混合ブレードの助けを借りて完全に混合されます。このようにして、シリコンの印刷時間を無制限に延長することができます。

図2. シリコン3Dプリントの材料改質戦略シリコン3Dプリントの精度と速度を向上させるには、信頼性の高い理論モデルが不可欠です。この研究では、押し出し印刷プロセスの理論モデルを確立しました。空気圧、ノズル径、印刷速度を制御することで、印刷精度を正確に予測および制御できます。適切な空気圧とノズルを選択することで、印刷精度を維持しながら印刷速度を効果的に上げることができます。

図 3. シリコン 3D 印刷プロセスの理論モデルさらに注目すべき点は、彼らが提案した戦略がさまざまな種類のシリコンに普遍的であるということです。この戦略は、熱硬化性シリコーンと光硬化性シリコーンの両方、および異なる硬度のシリコーンを印刷するために使用できます。最大 2000% まで伸縮可能なシリコーンなど、優れた機械的特性を持つシリコーンも、複雑な 2 次元 / 3 次元構造に印刷することに成功しています。

図 4. 高弾性シリコン 3D プリントと複雑な構造の精密プリント最後に、この戦略を使用して一連のフレキシブル回路と人工筋肉をプリントし、フレキシブルエレクトロニクスやソフトロボティクスなどの分野での優れた応用可能性を実証しました。

図 5. シリコンで印刷されたフレキシブル回路図 6. シリコンで印刷された人工筋肉「高伸縮性シリコンエラストマーのマルチマテリアル 3D 印刷」と題された関連論文が ACS Applied Materials & Interfaces (IF=8.1) に掲載されました。主著者は Zhou Luyu マスター、責任著者は He Yong 教授です。

論文リンク: http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b04873

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