グラフェン3Dプリント技術とその応用

グラフェンの特殊な二次元ハニカム格子単原子層構造は、軽量、大きな比表面積、優れた電気伝導性と熱伝導性、高い機械的強度など、グラフェンの独特な物理的特性を決定します。そのため、複合材料を調製するための理想的な構造的および機能的充填剤として使用できます。

3D プリンティングは近年急速に発展している成形製造プロセスであり、「付加製造」とも呼ばれます。従来の減算製造プロセスと比較して、金型製造プロセスが短縮されます。この金型を使わない自由成形技術は、空間形状や設計技術の制約から抜け出し、複雑な構造設計を物理的な製品に変換することができます。

3D プリント技術とグラフェン/ポリマーベースの複合材料の製造を組み合わせることで、複合材料の迅速な製造と試作を実現し、複雑な構造の製品を製造できます。グラフェンを添加することで、3Dプリント製品の機械的特性と機能特性が向上し、勾配機能製品をより便利に製造できるようになります。

さらに、3D プリントのレイヤーごとの製造方法により、ポリマーマトリックス内のグラフェンの大面積凝集が抑制され、均一な分散が実現しやすくなります。現在、グラフェン/ポリマーベースの複合材料に使用される主な 3D 印刷方法は 4 つあります。

インクジェット印刷
インクジェット印刷は、電子回路やフレキシブルデバイスなどに広く使用されています。一般的に使用されている圧電インクジェット印刷プロセスでは、まず印刷材料を溶剤に溶解または分散させて「インク」を形成し、次に印刷のニーズに応じて適切なタイミングで圧電セラミックシートに電圧をかけて変形させ、キャビティ内のインクを絞り出して一滴ずつ噴射し、基板上に層ごとに蓄積して印刷する形状を形成し、最後に熱処理、光照射、凍結乾燥などの後処理方法によって溶剤を除去して固定します。

グラフェンはキャリア移動度が高いため、ナノ電子デバイスの製造に非常に適しており、インクジェット印刷は一般的に使用されている便利で効率的な製造方法です。ポリマーを添加することでインクを安定させ、グラフェンの沈降や層化を防ぐことができ、またインクの粘度を調整して印刷しやすい範囲に保つこともできます。インクジェット印刷装置はシンプルで低コスト、操作も簡単なので、マイクロナノデバイスや電子回路の作成に非常に適しています。

熱溶解積層法（FDM）
熱溶解積層法は主に熱可塑性ポリマーの 3D 印刷に適しており、現在最も一般的に使用されている 3D 印刷方法です。この方法では、ポリマーを標準直径のワイヤーに準備し、ステッピングモーターでノズルに搬送し、加熱して溶融して押し出し、目的の形状に従って基板上に層ごとに積み重ねて接着する必要があります。冷却して固化した後、目的の成形部品が得られます。
FDM熱溶解積層成形例では、溶融混合、溶液混合などにより作製したグラフェン/ポリマー系複合材料を押出機などの装置を通して3Dプリント用フィラメントにし、グラフェン/ポリマー系複合材料の熱溶解積層成形を行うことができる。
グラフェンを追加すると、3D プリント部品の機械的特性が向上するだけでなく、部品に優れた電気的、熱的、摩擦的、摩耗的特性も付与されます。熱溶解積層法は、幅広い材料を印刷でき、設備コストが低く、操作が簡単で、印刷速度が速く、複数のノズルを使用して異なる種類の材料を同時に印刷できます。したがって、最も有望な産業用途を持つ印刷方法の1つです。作成された部品は、機械、自動車、航空宇宙などの分野で使用される可能性があります。
ステレオリソグラフィー（SLA）
ステレオリソグラフィーは、ステレオリソグラフィーまたはステレオリソグラフィーとも呼ばれ、印刷材料として感光性樹脂を使用する成形方法です。レーザービームは設計された経路に従って液体感光性樹脂の表面を走査し、感光性樹脂の特定の領域が固化してモデルの断面の層を形成します。次に、リフティングプラットフォームが少し下方に移動し、新しい断面層を固めて完全な部品が形成されます。
ステレオリソグラフィーを用いてグラフェン/ポリマー系複合材料を形成する場合、一般的にグラフェンを溶媒に溶解し、感光性樹脂に添加するか、直接樹脂に添加して混合し、光硬化を行う。ステレオリソグラフィーは印刷精度が高く、表面品質が優れ、非常に複雑な構造を形成できるため、現在のハイエンド3Dプリント市場の主流技術であり、生物学的足場や歯科などのバイオメディカル分野でよく使用されています。
グラフェンSLAステレオリソグラフィーの例
選択的レーザー焼結法 (SLS)選択的レーザー焼結法は、粉末成形に適した 3D 印刷方法です。主に金属粉末やセラミック粉末の印刷に使用されますが、熱可塑性ポリマー粉末にも使用できます。
ポリマー粉末にグラフェンを加えると、粉末の熱伝導率が向上し、熱による反りが大幅に減少します。同時に、グラフェンは部品の機械的特性も向上させることができます。
現時点では、選択的レーザー焼結法によるグラフェン/ポリマー系複合材料の形成に関する報告は比較的少なく、主にナイロン系材料に集中しています。今後は、より多くの種類の複合材料に研究を拡大していく予定です。
グラフェン SLS 選択的レーザー焼結成形例グラフェン/ポリマーベースの複合材料と 3D プリント成形は、近年急速に発展している 2 つの研究方向です。この 2 つを組み合わせることで、グラフェン/ポリマーベースの複合材料の機能部品の複雑な構造成形に効果的なソリューションを提供できます。グラフェン/ポリマーベースの複合材料を3Dプリントする技術の多くはまだ成熟しておらず、研究段階ですが、エレクトロニクス、エネルギー、バイオメディカル、機械、航空宇宙などの分野での応用の見通しは期待に値します。
出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

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