「ハイテク分野」における3Dプリントの活用方法

出典：中国科学院蘭州化学物理研究所

3D プリントというと、これは非常に新しい技術だと多くの人が思うでしょうが、実際はそうではありません。 3Dプリント技術の歴史はインクジェットプリントの歴史とそれほど変わりません。誕生は1986年です。3Dプリントのアイデアは、19世紀後半に米国で研究された写真彫刻と地形形成技術に端を発しています。デジタル 3D グラフィックスを物理的なオブジェクトに変換するというアイデアは、ステレオリソグラフィーの原理に基づいて、アメリカ人の Charles W. Hull によって初めて特許を取得しました。

チャールズ・ホールは 3D Systems の創設者でもあり、最初の産業用 3D 印刷装置を発売したことも指摘しておくべきでしょう。それ以来、この大物は富への道を歩み始めました。現在までに、彼の会社は3Dプリント機器と材料の製造における国際的な大企業となり、多額の利益を上げています。このことから、科学者も大金を稼ぐことができることがわかります（笑）。

その後、3D 印刷技術の新しい名前であるラピッドプロトタイピング技術が提案されました。技術の発展と普及に伴い、3D 印刷技術という新しい用語が生まれました。しかし、学術界ではその利点を考慮して、これを「付加製造」とも呼んでいます。

1980 年代までに、科学研究や製品設計のニーズを満たすために、デジタル制御技術の進歩に伴い、3D プリントの関連技術が蓄積され、業界のニッチなグループに普及しました。 3Dプリンティングは主に21世紀に成熟し、さまざまな3Dプリンティング技術が開発されました。これらの技術の主な開発コンセプトは、高精度、材料適応、デジタルインテリジェンスです。

「問題解決の専門家」 - ポリイミド素材<br /> 今日は主にポリイミド材料とその3Dプリント製造について紹介します。ポリイミドは、総合性能が最も優れた有機ポリマー材料の1つです。400℃以上の高温に耐えることができ、長期動作温度範囲は-200～300℃です。中には明らかな融点がなく、高い絶縁性を持つものもあります。繰り返し単位の化学構造に基づいて、ポリイミドは脂肪族ポリイミド、半芳香族ポリイミド、芳香族ポリイミドの 3 つのタイプに分類されます。鎖間相互作用力に応じて、架橋型と非架橋型に分けられます。ポリイミドとは、主鎖にイミド環（-CO-N-CO-）を含むポリマーの一種であり、その中でもフタルイミド構造を含むポリマーが最も重要です。

ポリイミドは特殊なエンジニアリング材料として、航空、宇宙、マイクロエレクトロニクス、ナノテクノロジー、液晶、分離膜、レーザーなどの分野で広く使用されています。 1960 年代には、多くの国がポリイミドの研究、開発、利用を 21 世紀で最も有望なエンジニアリングプラスチックの 1 つとして挙げました。

ポリイミドは、その優れた性能と合成特性により、構造材料としても機能材料としても、その膨大な応用可能性が十分に認識されています。ポリイミドは「プローションソルバー」と呼ばれ、「ポリイミドがなければ、今日のマイクロエレクトロニクス技術は存在しなかっただろう」と考えられています。

図1 ポリイミドとその用途

ポリイミド材料は完全に機能し、優れた性能を持っていることがはっきりとわかります。しかし、ポリイミドの用途は主に航空宇宙、マイクロエレクトロニクス、先進製造業であり、その応用形態はポリイミドフィルム、ポリイミド部品、ポリイミド回路基板です。

その強力なパフォーマンスの代表的な例として、月探査プロジェクトへの応用が挙げられます。ちょっとしたことに気付きましたか？月の極度の温度環境（昼間の最高気温は160℃に達し、夜間の最低気温はマイナス180℃まで下がる）でも、嫦娥4号着陸船と玉兔2号ローバーの五星紅旗は色鮮やかです。地球に送られる月探査写真のすべてにおいて、鮮やかな「中国の赤」が非常に目を引きます。この2つのまばゆいばかりの赤い国旗が何の素材で作られているかご存知ですか?答えはポリイミドです！これでポリイミド材料の威力がわかりました。ポリイミドはポリマー材料の90%よりも優れており、最高の材料の1つであると言えます。

ポリイミドは溶解や加工が難しい<br /> ポリイミドの多くの利点と強みについて語ってきたので、その寿命はピークに達したように感じます。それで、その欠点は何でしょうか?答えは、溶かすのが難しく、加工するのが難しいということです。簡単に言えば、インスタントコーヒーの水は淹れるとすぐに混合液になります。ポリイミド粉末を水で溶かすことは考えないでください。多くのポリマー材料製品は、酸、アルカリ、溶剤に触れるとある程度溶解し、成形や加工に役立ちます。

さらに、家庭用プラスチックなどの多くのポリマー製品は、100℃の高温にさらされるとすぐに柔らかくなり、形状と性能が失われ、使用できなくなります。しかし、ポリイミドは300〜400℃では明らかな熱変形を示さないため、これが利点であると同時に難点でもあります。従来の 3D プリンティングでは、ホットプレス、ブロー成形、押し出し成形によってさまざまな形状の製品を製造できます。しかし、ポリイミドのように変形に非常に強い材料の場合、これは非常に厄介な問題になります。ポリイミドを光硬化型 3D 印刷材料として準備する方法は非常に難しく、解決するのが難しい問題となっています。

光硬化型 3D プリントポリイミドインク材料<br /> 中国科学院蘭州化学物理研究所の王暁龍研究員が率いるチームが、この難しい問題をどのように解決したかは以下をご覧ください。お座りください！お座りください！！

図2 DLP光硬化3Dプリントポリイミドインク
2017年、研究者の王小龍氏のチームは、光硬化型3Dプリントポリイミドインク材料を開発しました。具体的には、主に分子構造設計によりポリイミドの難溶性特性を解消し、エタノール、メタノール、アクリル酸モノマーなどの極性溶媒に対する溶解性が良好なポリイミドオリゴマーを調製します。

研究員の王小龍氏は、「ポリイミドの成形は国内外で常に重要な研究対象となっている。技術の進歩と開発の要求に駆り立てられ、主要部品の設計と製造が鍵となっている。私たちは3Dプリント技術の製造上の利点とポリイミド材料の性能上の利点の完璧な組み合わせを利用して、光硬化型3Dプリントポリイミドインク材料を開発しており、これは間違いなく将来のトレンドとなるだろう」と語った。

歯磨き粉を絞り出して3Dプリントするしかし！しかし！王小龍研究員のチームは、これまで開発してきた光硬化性ポリイミドインクに満足しておらず、あらゆる面でその性能がまだ最適ではないと考えています。そのため、より高い総合性能を実現する可能性を考慮して、直接書き込み3Dプリント光硬化性ポリイミドインクという新たな研究成果を達成しました。

直接書き込み 3D プリント光硬化性ポリイミドインクは、ポリイミドフィルムを調製するための従来の方法であり、3D プリントの高性能材料を調製するための 2 段階の成形および硬化方法です。簡単に言えば、歯磨き粉を絞り出すかアイスクリームを作るのと同じように、材料を直接絞り出し、粘度によって形を作ります。

図3 歯磨き粉やアイスクリームを絞り出すこの技術の鍵は、押し出されたポリイミドスラリーをいかに成形し固定するかです。研究チームは分子鎖上に光硬化因子を設計し、押し出し成形時に紫外線を照射すると硬化し、形状を維持する機能を実現しました。さらに熱処理を施すことで、高性能なポリイミド複合構造が得られました（図4）。

図4 直接書き込み3Dプリントポリイミドの設計コンセプト。このポリイミド材料の機械的特性、耐熱性、熱機械的特性は、この分野で初めて従来のPI材料の80％以上に達し、寸法収縮率はわずか6％です（FDMやSLAなどの主流の3Dプリント技術と同じ）。研究者らはさらに、湾曲したポリイミドの自由成形構造（バネ、単一の吊り下げ部品など）や耐高温ポリイミドワイヤなど、さまざまなカスタマイズ可能なコンポーネントの製造を実現しました（図5）。

図5 ポリイミド機能デバイスとアプリケーションの直接書き込み付加製造研究員の王暁龍氏は次のように述べています。「この方法戦略は、この研究システムにおけるポリイミド前駆体の製造に適しているだけでなく、他のポリイミドシステムにも適しているため、すべての一般的なポリイミド前駆体の付加製造が可能になります。将来的には、ポリイミド材料に基づく3D製造プロセス機器とワンストップの産業アプリケーションの革新も実現する準備を進めています。」

そのため、印刷によって作成された複雑な構造の機械部品やモデルは、マイクロエレクトロニクス、バイオニック材料、人間医学、航空宇宙、自動車製造などの分野で開発され、応用されることが期待されており、高精度、高耐熱性、高強度を備えた複雑な構造の部品やメカニズムを直接ラピッドプロトタイピングする3D印刷の高度な製造技術に新たな機会を提供します。科学研究者の継続的な努力により、3D プリンティングとポリイミド材料の応用が近い将来に市場に投入されると信じています。

出典：中国科学院蘭州化学物理研究所

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