高強度・超低収縮ポリイミドの積層造形のための新手法とプロセス装置

出典: 高分子科学の最前線

ポリイミドは特殊なエンジニアリング材料として、優れた機械的性質、耐高温性、耐化学腐食性、優れた誘電特性を備えており、航空、宇宙、マイクロエレクトロニクス、ナノ、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。しかし、ポリイミドは複雑な成形やデジタル加工が非常に難しく、その応用範囲が限られています。そのため、3Dプリントに適した高性能ポリイミドインク材料の開発は、幅広い応用の可能性を秘めています。

過去 2 年間で、国内外でポリイミドの 3D プリントに関する報告がいくつかありました (J. Mater. Chem. A. 2017, 5, 16307; Adv. Mater. 2017, 1701240; ACS Macro Lett. 2018, 7, 4, 493-497.; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 41, 34828-34833) が、成形後に寸法が収縮しすぎたり、性能が従来のポリイミド材料の性能に遠く及ばなかったりするため、実際の用途は依然として大きく制限されています。そのため、高性能ポリイミド付加製造は、国内外の3Dプリンティングおよび機器分野における重要な課題および研究の焦点の1つになりつつあります。

最近、中国科学院蘭州化学物理研究所固体潤滑国家重点実験室の王暁龍教授の3Dプリント摩擦装置研究チームと江南大学機械工学学院の劉宇教授の精密知能システム工学チームが、高性能ポリイミド付加製造に適したUVアシスト直接描画プロセスの開発に成功しました（Direct Ink Writing of High Performance Architectured Polyimides with Low Dimensional Shrinkage. Adv. Eng. Mater. 2019, 1801314）。

この研究で、研究者らは新たな「光硬化性ポリアミド酸前駆体＋熱イミド化」戦略を確立し、紫外線直接描画印刷（UV-DIW）技術の使用を提案して高性能ポリイミドの直接三次元複合成形を完成させ、関連する材料製造および設備プロセス技術の特許革新を実現した。

図1. 直接書き込み積層造形用ポリイミドインクの製造方法と原理。この3Dプリント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％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、ポリイミド材料のこのような優れた付加製造を実現するのは簡単なことではなく、カスタマイズされた材料製造プロセスを繰り返し探求する必要があり、最終的にすべてのプロセスパラメータが比較的狭い範囲内に収まって安定した最適な結果を達成する必要があると考えています。

両チームが開発した高性能ポリイミド材料をベースに、曲面ポリイミド成形、自由構造（バネ、単一懸架部品など）、耐高温ポリイミドワイヤなど、他の印刷技術では実現できないさまざまなカスタマイズ可能な部品の製造をさらに実現しました（図2）。

図 2. 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。さらに重要なことは、この方法戦略は、この研究システムでのポリイミド前駆体の製造に適しているだけでなく、この製造方法は他のポリイミドシステムにも適しており、それによって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ることです。

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。

この点に関して、研究者らはこの技術方法と材料について国内外で多数の特許を申請し、ポリイミド材料に基づく3D製造プロセス設備の革新とワンストップ産業応用のさらなる実現に協力しており、関連成果は国内の一部研究機関や企業から高い注目を集めている。

出典: 高分子科学の最前線

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