断層再構成に基づく立体3Dプリント技術

著者: 王忠瑞、李迪塵

積層造形は複雑な構造部品を形成するための効果的な方法ですが、製造速度や表面品質などの問題が依然としてボトルネック技術となっており、既存プロセスのさらなる進歩を制限しています。最近、カリフォルニア大学バークレー校とリバモア国立研究所の研究者らは、断層再構成技術によって3次元3Dプリントを実現し、成形速度を大幅に向上させることを提案しました（図1を参照）。この技術の動作原理は、従来の積層造形技術における「点-線-面-本体」の製造概念とは異なり、コンピューター断層撮影（CT）スキャンの逆操作に似ています。CT撮影技術では、X線管が測定対象物の周りを回転して各断面の画像を形成し、その後、コンピューターで測定対象物の3D構造モデルを再構成します。断層撮影再構成技術に基づく立体3D印刷では、研究者が3Dモデルのさまざまな角度から対象の断面形状を計算し、投影装置を使用して対応する2D画像をさまざまな角度で投影します。投影された光点は、感光性樹脂原料が充填された円筒形の容器に画像化され、硬化反応を引き起こして部品の成形を実現します。

図 1 断層撮影再構成技術に基づく立体 3D 印刷 (AB) 成形原理 (C) 成形プロセス (DG) 成形部品この成形方法では、容器内のさまざまな位置にある液体樹脂が固まるかどうかは、その位置での累積光束に依存します。特定の波長の光により、感光性樹脂 (ここではアクリレート) がフリーラジカルを生成し、その位置での累積光束が一定の限度に達し、酸素が消費されてある程度抑制されるまで、酸素がフリーラジカルの生成を抑制し、樹脂が架橋反応を開始します。研究者らは、対象成形品のCADモデル、投影装置のエネルギー密度、材料のエネルギー吸収率に基づいて、各角度セクションに対応する2D輪郭と回転速度を逆算しました。投影スポット形状の変化を容器の回転運動と調整することで、容器内の任意の空間ユニットが透過する光量を制御できます。対象領域に透過する光量が上記の制限に達すると、感光性樹脂の硬化反応を引き起こすことができます。容器の回転中に液体が流れて部品の成形精度に影響が出ないように、研究者は粘度が90Pa·s以上の液体樹脂を選択しました。硬化波長を遮らない染料を加えることで、樹脂の色や透明度を調整することもできます。

図2 この技術で製造される各種部品（AC）複雑構造部品（DH）サポートなし製造部品（IJ）フレキシブル材料部品（KL）平滑表面部品 [図中のマークされていない線分はすべて2mm]
研究者らはこの技術をさまざまな部品の製造に適用し（図 2 参照）、最小フィーチャーサイズ 0.3 mm、センチメートルレベルの部品成形速度約 30 ～ 120 秒、予測最大成形サイズ 0.5 m を達成しました。この成形法の成形速度は層数、断面積、複雑さに依存せず、高粘度樹脂が自立できるため、成形速度が速く、サポートが不要で、高粘度材料を成形でき、柔軟材料の成形時に変形の問題を回避できるなどの利点があります。成形容器に他の材料をあらかじめ入れておくことで、複合部品の一括成形も可能です（図3参照）。

図3: 他の材料をあらかじめセットしておくことで複合部品を一度に形成する（筆者はこれをオーバープリントと呼んでいる）
参考文献
Kelly Brett E、Bhattacharya Indrasen、Heidari Hossein、Shusteff Maxim、Spadaccini Christopher M、Taylor。Hayden K. 断層再構成による体積付加製造。Science。2019 年 1 月。

出典：機械製造システム工学国家重点実験室

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