特集記事: 機能性微細構造を効率的に製造するための低コスト、可変精度、マルチスケール 3D 印刷技術

出典: ナノマン

第一著者: 李元瑞
連絡先著者: ウェイ・ウー
対応部署：南カリフォルニア大学（米国）
マルチスケールステレオリソグラフィーによるバイオインスパイア機能表面の実現.pdf
研究のハイライト:
1. 低コストの可変精度マルチスケール 3D 印刷技術を提案し、精度を 37 ミクロンまで向上させ、3D 印刷速度を 4.4 倍に高めます。
2. この技術は、特にマイクロナノ構造表面を持つバイオニック材料の製造において、大容量の高解像度 3D 製造におけるギャップを埋めます。
3. 研究者らは、ミクロンスケールの構造を持つバイオニックサメの皮膚を大面積に印刷することに成功しました。抗力低減テストにより、研究者らは平均10%の抗力低減効果を発見しました。同時に、バイオニック蓮の葉構造のサンプルも印刷され、超疎水性効果が観察されました。

3D プリント: 精度と速度の矛盾 現在、3D プリント技術はより高い精度を実現し、多くのマイクロスケール構造を簡単に製造することができます。さらに、従来の処理方法と比較して、3D プリント技術には多くの利点があります。たとえば、比較的複雑な構造を製造したり、材料を節約したり、アセンブリを一体で印刷したりすることができます。しかし、高精度の3Dプリント技術は、工業生産にはまだ広く利用されていません。これは、高精度を維持しながら印刷速度をいかに高めるかが、3Dプリントにおける大きな技術的課題となっているためです。

なぜ高精度と高速印刷の両方を実現できないのでしょうか?まず、レーザー 3D プリントの成形原理を理解する必要があります。従来の 3D プリントプロセスでは、レーザーは 1 か所に留まり、その場所で樹脂を固め、次に次の場所に移動してその場所で樹脂を固め続け、このプロセスを繰り返して最終的に目的の構造を取得します。ただし、高精度を実現したい場合は、レーザースポットサイズを縮小して、1回に硬化できる樹脂の量を減らす必要があります。これにより、レーザーがスキャンするポイントが増え、印刷速度が大幅に低下します。そのため、現在の 3D プリント技術では、高精度を確保しながらより高速な印刷速度を実現することが難しく、3D プリントの応用展望が大きく制限されています。

図 1: 3D プリントプロセス中の各時点で固化した樹脂の量。精度を 10 倍向上させるには、必要な体積要素を 103 倍に増やす必要があります。
業績の簡単な紹介 これを踏まえ、南カリフォルニア大学のウー・ウェイ氏とチェン・ヨン氏のチームは、高精度を維持しながら従来の3D印刷技術の数倍の印刷速度を達成できる可変精度マルチスケール3D印刷技術を提案した。この研究は、3D プリント技術における高精度と高速性の矛盾を解決するための新しいアイデアを提供します。

図2: ジャーナルの裏表紙

ポイント1：可変精度のマルチスケールプリンターの設計 研究者たちは観察を通じて、実際の応用では、3Dプリントされた物体の表面だけに高い精度が求められ、内部は求められないことが多いことを発見した。この場合、印刷物の表面と内部を別々に加工すると、内部を印刷する際には樹脂の体積要素を大きくして固めることで印刷速度を上げ、表面を印刷する際には樹脂の体積要素を小さくして精度を上げることができます。このようにして、高い表面精度を確保しながら全体的な印刷速度を最大化できます。下の図3に示すように、印刷物のモデルを低精度の内部と高精度の表面に分割します。これにより、高精度と高速印刷の矛盾が解決されます。

図 3: 3D プリントされたオブジェクトモデルを低精度の内部と高精度の表面に分割上記の設計に基づいて、研究者は切り替え可能な 3D プリンターを設計しました。この装置では、405 nm レーザーと 445 nm レーザーを使用して樹脂を硬化させます。半透明のミラーを介して、これら 2 つのレーザーは同じ光路に沿ってレーザーフィルターを通過します。レーザーフィルターはナノインプリント技術に基づいて製造されており、図4（b）に示すように、445 nmレーザーはレーザーフィルターを完全に通過します。図4（c）に示すように、405 nmレーザーはレーザーフィルターの中央の開口部のみを通過できます。したがって、このレーザーフィルターを通じて 2 つのレーザービームのスポットサイズを調整できます。

図 4: 切り替え可能なマルチスケールプリンターとレーザーフィルターの動作原理。2 つのレーザービームが機器内の樹脂皿に反射され、樹脂が固まります。スポットサイズが大きい 445 ナノメートルのレーザーでは、1 回に硬化できる樹脂の体積要素の量は大きくなりますが、スポットサイズが非常に小さい 405 ナノメートルのレーザーでは、1 回に硬化できる樹脂の体積要素の量は小さくなります。物体の内部に印刷する場合は、印刷速度を上げるために大きなスポットレーザーを使用し、物体の表面を印刷する場合は、高い表面精度を得るために小さなスポットレーザーを使用します。このように、2 つのレーザー光を切り替えるだけで、高精度と低精度を切り替えて印刷速度を上げることができます。

ポイント2：バイオニックサメ皮とバイオニック蓮の葉の印刷 下の図5に示すように、研究者らは切り替え可能な3Dプリンターを使用して、内部にバイオニックサメ皮構造を備えたパイプを印刷しました。流体抵抗テストにより、サメ皮構造のない滑らかなパイプの摩擦係数は0.046∓0.0017であることがわかりました。バイオニックサメ皮構造を追加すると、パイプの摩擦係数は0.042∓0.0016に低下し、平均10％の抗力低減効果が得られます。研究者らは、さまざまなサイズのサメの皮膚構造もテストし、高さ142ミクロンの構造が抗力低減効果が最も高いことを発見した。歯のような微細構造を持つ複雑な構造のバイオニックサメの皮膚も印刷に成功しました (図 6)。

図 5: バイオニックサメの皮膚の実際の印刷サンプルと抗力低減テスト図 6: 歯のような微細構造を持つバイオニックサメの皮膚同時に、研究者らはバイオニック蓮の葉構造も印刷しましたが、この構造は下図に示すように超疎水性効果を示しました。

図7: 自然界の蓮の葉と実際の印刷サンプルの比較
概要 この発明は、従来の3D印刷技術における高精度と高速印刷の矛盾をうまく解決し、実際のアプリケーションでは、より高速な印刷速度を実現しながら高い表面精度を実現します。これは、産業界における 3D プリントの応用に新たなアイデアをもたらします。3D プリント技術の応用の可能性はさらに広がると信じるに足る理由があります。

参考文献:

Yuanrui Li、Wei Wu、他「マルチスケールステレオリソグラフィーによるバイオインスパイアード機能性表面の実現」Advanced Materials Technologies、2019 年。
DOI: 10.1002/admt.201800638
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201800638

出典: ナノマン

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