新技術：多波長光源、複数の感光性樹脂材料の同時3Dプリント

現在、光硬化型 3D プリント技術は、歯科、ジュエリー、フィギュアなどの分野で広く使用されています。しかし、上記のような従来の光硬化型 3D プリンターでは、一度に印刷できる素材は 1 つだけです。

△ FDM技術型3Dプリンターはノズルの数を増やすことで、多色印刷や多素材印刷を同時に実現できる。画像出典：makerbot

△金属3Dプリンターは、材料混合3D印刷（MMSLM）技術を通じて、異なる粉末の混合印刷も実現できます。これは、さまざまな部品に異なる要件を持つ金属デバイスの処理に適しています（デバイスの性能を向上させ、耐用年数を延ばすことができます）。画像ソース: Dedi Intelligent <br /> 光硬化の分野では、複数の材料や混合材料の 3D プリントにおいて画期的な進歩はありませんでした。 2019 年 3 月 15 日、Antarctic Bear は、Nature Communications に掲載された論文が斬新な解決策を提示したことを知りました。

ウィスコンシン大学マディソン校の科学者たちは、可視光モードと紫外線モードの両方を備え、複数の感光性樹脂材料を同時に印刷できる新しい 3D プリンターを開発した。

この方法では、マルチマテリアルステレオリソグラフィー空間制御 (MASC) 技術を使用して、積層造形プロセス中にさまざまな材料の化学組成に応じて異なる光源波長を選択します。多成分感光性顔料には、対応するフリーラジカルおよびカチオン開始剤を含むアクリレートおよびエポキシドベースのモノマーが含まれます。

△実験シナリオ: (A) カスタムマルチマテリアル DLP 3D プリンター設定のラベル付き図。ラップトップは、可視光プロジェクターと UV プロジェクターの両方と 3D プリンターを制御します。 (B) マーキングセットアップ関連図フェーズ。 (C) 物理的なマルチマテリアルセットアップ（ラベルなし）。画像:ラップトップに表示されている内容は、「右」のプロジェクター (UV プロジェクター、前面) と「左」のプロジェクター (Optoma HD27、背面の白いプロジェクター) に同時に送信されます。

長波長（可視光）照射下では、アクリレート成分の優先的な硬化が観察されました。組み込まれたアクリレートとエポキシド成分の組み合わせは、短波長 (UV) 照射下で優先的に硬化します。

これにより、柔らかいハイドロゲルやオルガノゲルとは対照的に、硬いエポキシネットワークを含むマルチマテリアルコンポーネントの製造が可能になります。 MASC 配合の変化により、印刷されたサンプルの機械的特性は大幅に変化しました。さまざまな MASC レシピを使用して印刷されたサンプルは、空間的に制御された化学的不均一性、機械的異方性、および空間的に制御された膨張を示します。

△感光性樹脂材料配合

原理は少し複雑に聞こえる。実際の操作では、研究者は2台のプロジェクターから同時に液体原料の入った容器に光を当て、プラットフォーム上に原料を一層ずつ積み上げていく。 1 つのレイヤーが構築されると、ビルドプラットフォームが上に移動し、次のレイヤーが構築されます。

つまり、2 つの光源 + 樹脂バレルを使用して、2 つの材料の光硬化 3D プリントを実現します。

研究者たちは、光源の制御から始めて、1 セットの画像が可視光 DLP プロジェクターで処理され、別のセットの画像が UV プロジェクターシステムに並行して送信されるバイナリ画像の組み合わせを作成しました。

上記は、マルチマテリアル印刷サンプルの例です。サンプルをトルエンまたはスペアミントオイルに浸すと、異なる領域間のコントラストがはっきりと見えます。透明部分は可視光で印刷され、不透明部分は紫外線で印刷されます。最初の例は、内部に骨格があり、その硬い部分が柔らかい外側の素材で完全に覆われている手に似ています。これらのサンプルを組み合わせることで、X、Y、Z の 3 次元で複数の材料の構成を制御する独自の機能が実証されます。

上の画像はデジタルデザインとそれを印刷した形状を示しています。紫色は UV 硬化した硬質エポキシ領域に対応し、灰色の領域は可視光硬化したアクリレート領域に対応します。下部では、3D プリントされた MASC ロゴが、硬くて不透明な領域と柔らかくて透明な領域で構成された印刷オブジェクトになります。

研究者が直面している主なハードルは、出発物質の化学的性質を最適化することです。彼らはまず、1 つのバレル内の 2 つのモノマーの性能を検討しました。また、各層内の硬い材料と柔らかい材料がほぼ同じ時間で乾燥するように、モノマーの硬化時間が同様になるようにする必要もありました。

適切な化学反応により、研究者は紫外線や可視光を使用して、印刷された物体内の各モノマーがどこで固まるかを正確に判断できるようになりました。

「まだ不完全なところはたくさんあるが、これは刺激的な新しい挑戦だ」と、チームとの最近の共同研究を率いたウィスコンシン大学マディソン校の化学教授A.J.ボイドストン氏は語った。

現在、ボイドストン氏はこれらの欠陥に対処し、他のモノマーの組み合わせを使用できるかどうか、またこれらの新材料を硬化させるために異なる波長の光が使用できるかどうかなど、未解決の疑問に答えたいと考えている。ボイドストン氏はまた、波長制御のマルチマテリアル 3D プリントの影響を高めるために、学際的なチームを編成したいと考えています。

シュワルツ氏は、化学を利用してエンジニアリングのボトルネックを解消することが、まさに3Dプリンティング業界が前進するために必要なことだと語った。化学と工学のこの接点こそが、この分野を新たな高みへと押し上げることになるでしょう。

この研究は2月15日、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された。全文をダウンロード

原著論文: https://www.nature.com/articles/s41467-019-08639-7

著者と分担