浙江大学の謝涛のチーム：熱可塑性ポリマーのデジタル光処理 3D プリントを実現！

出典: 高分子科学の最前線

背景
3D プリンティングは、非常に複雑でカスタマイズされた製品が現実のものとなる新しい時代を切り開きました。そのため、3D プリンティングは、医療機器、航空宇宙構造、エネルギー機器、ソフトロボットなどのエンジニアリングアプリケーションにおいて大きな応用可能性を示しています。しかし、3D プリンティングは依然としてさまざまな要因によって制限されており、その中でも最も重要なのは印刷速度と材料の汎用性です。印刷速度の点では、デジタル光処理 (DLP) を使用したレイヤーごとの印刷は、熱溶解積層法 (FDM) やステレオリソグラフィー (SLA) などの方法を使用したポイントごとの印刷よりも明らかに優れています。 Z 次元での連続構築など、DLP のさらなる革新により、他のどの方法よりもはるかに高速な印刷が可能になる可能性があります。一般的に、DLP は多機能液体樹脂を使用します。デジタル光の照射下では、樹脂が架橋して熱硬化性ポリマーを形成し、迅速な液体と固体の分離を実現します。ただし、印刷された熱硬化性ポリマーは再処理できないため、この技術の広範な応用には限界があります。原理的には、DLP 技術を再処理可能な熱可塑性ポリマーに拡張すれば、この制限は克服できる可能性があります。液体モノマーとそれに対応する低分子量の非架橋ポリマーは通常、良好な混和性を有するため、モノマーと非架橋ポリマーを迅速に分離できる独自の DLP 技術を得ることは容易ではありません。

記事リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903970

この研究は熱可塑性ポリマーのDLP 3Dプリント技術を実現した。
業績の簡単な紹介<br /> 最近、浙江大学化学工学共同国家重点実験室の謝涛教授の研究グループは、印刷プロセス中に同時に発生する 2 つの競合する運動プロセス (重合とポリマー溶解) を制御することにより、熱可塑性ポリマーの DLP 3D 印刷を実現する試みが成功したと報告しました。選択されたモノマー 4-アクリロイルモルホリン (ACMO) を例に、そのユニークな水溶性特性を利用してさまざまな材料/デバイスに変換できる熱可塑性 3D スキャフォールドの印刷を実証します。 ACMO の超低粘度と表面酸素抑制を組み合わせることで、新鮮な樹脂が硬化表面に素早く広がり、高速 3D プリントが可能になります。このプロセスのシンプルな実装メカニズムと材料の汎用性により、機能的な 3D デバイス (再構成可能なアンテナ、形状変化構造、マイクロ流体工学など) の構築における 3D プリントの応用範囲が広がります。研究結果は、国際的に有名な学術誌「Advanced Materials」に「熱可塑性ポリマーの高速オープンエアデジタル光3Dプリンティング」と題する論文として掲載されました（記事末尾のオリジナルリンクを参照）。

概要

図 1. 熱可塑性 ACMO 樹脂の DLP 印刷の実現可能性。 a) トップダウン DLP 装置と印刷レシピ。 b) ACMO樹脂と市販の熱硬化性アクリレート樹脂（FSL-C、S-MAKER）の硬化速度の比較。 c) さまざまな印刷構造。 d) UV 硬化後に、半径の異なる柱が印刷されます。 e) マイクロケルビン格子とそのSEM構造。図 2. 高速オープンフェイス印刷プロセス。 a) 表面酸素阻害は、硬化した樹脂スライスの深部で Z 方向に沿って減衰します。 b) Z方向の深さに沿った分子量と二重結合変換の変化の定量分析。 c) 照射時間による表面酸素阻害の深さへの影響。 d) アルゴン処理樹脂、コントロールサンプル、酸素処理樹脂の高速印刷モデルの比較。図 3. ACMO ポリマーの熱可塑性特性。 a) 配合物中のメルカプタン含有量が増加すると、流動性が高まります。 b) メルカプタン含有量がポリマーの分子量とメルトインデックスに与える影響。 c) 熱可塑性ポリマーと市販の熱硬化性樹脂プリントの水溶性の比較 d) チオール含有量がポリマー分子量と溶解速度に与える影響。図 4. 犠牲成形の適用のデモンストレーション。 a) エポキシ SMP 形状記憶サイクル。 b) 液体金属ベースの再構成可能アンテナの製造プロセス。 c) 再構成可能なアンテナの周波数調整。 d) PDMSベースのマイクロ流体デバイス。
ハイライト<br /> 本研究では、原理、材料、プロセスから始めて、DLP印刷の範囲を熱硬化性ポリマーから熱可塑性ポリマーに拡大し、材料自体の低粘度と表面の強力な酸素阻害を利用して高速印刷を実現します。さらに、従来の DLP 技術では印刷できない一部の材料も、熱可塑性ポリマーを犠牲型として使用することで DLP で印刷できます。この研究により、熱可塑性ポリマーの高速印刷が可能になり、本研究で実証された結果を超えたさらなる技術的機会につながる可能性があります。この論文の第一著者は、浙江大学化学工学・生物工学学院の博士課程学生である Deng Shihong 氏です。論文の第一責任著者は Xie Tao 教授、第二責任著者は Wu Jingjun 博士です。

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