【分析】レーザー3Dプリントガラス研究の現状と進歩

3D プリントは、デジタルモデルファイルを基に、接着材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築するラピッドプロトタイピング技術です。学術的には、付加製造、積層造形、増分製造とも呼ばれます。

3D プリント技術の概念は 1970 年代後半から 1980 年代初頭に生まれました。 3Dプリンティングの発展における画期的な出来事は、1986年にハルが紫外線レーザーを使って高分子ポリマーを固めて層ごとに積み重ねるステレオリソグラフィー装置（SLA）を発表したことでした。同年、ハルは世界初の3Dプリンティング会社である3D Systemsを設立しました。 1988 年後半、クランプ氏は熱溶解積層法 (FDM) を発明し、Stratays を設立しました。

1989 年、Decard は選択的レーザー焼結 (SLS) を発明しました。 1993年、サックスは金属、セラミックなどの粉末にバインダーを吹き付けて焼結することで材料を一つずつ形成する新しい3Dプリント技術を発明しました。この技術はインクジェット印刷に似ており、生産速度が速く、価格が安いです。

近年、3Dプリントは急速に発展し、徐々に普及して人々の生活に入り込んできました。材料の節約、簡単な設置、印刷可能なオブジェクトの形状の柔軟性、印刷された部品の精度、高い生産性、低い生産コストなどの利点があります。技術の継続的な発展と進歩により、3D プリントのこれらの利点はますます顕著になり、その応用分野は航空宇宙技術、自動車、電子機器、住宅建設、医療、衣類などの分野にも広がっています。

現在、3Dプリントの主流の素材は金属、樹脂、プラスチック、セラミックです。ガラス材料はまだ研究段階にあります。ガラスは人々の日常生活、生産、科学技術において一般的な製品であり、優れた機械的性質、化学的/熱的安定性、電気的/熱的絶縁性、および比類のない光学的性質を備えています。しかし、従来のガラス製造工程は効率が低く、歩留まりが悪く、複雑な形状のニーズを満たすことができません。3Dプリントガラスは歩留まりを向上させるだけでなく、3Dプリントの利点を最大限に活用して複雑な形状のガラスワークピースを製造し、特殊なニーズを満たすことができます。

非レーザー 3D プリントガラス技術 セラミックや金属などの他の材料と比較すると、ガラス材料は3Dプリントに使用するのがより困難です。これは、ガラスの融点が高いためです。通常、液体ガラスを固めるには、保温やアニールなどの手順が必要であり、ガラスが割れるなどの状況を回避するために正確な温度制御が必要です。高精度の成形制御を実現することは、ガラス 3D プリントにおける大きな課題です。

現在、国内外でガラス3Dプリントに関する研究はほとんど行われていません。熱溶解積層法（FDM）、バインダージェット印刷（3DP）、ガラス粉末レーザー焼結/溶融法（SLS/SLM）、ステレオリソグラフィー（SLA）などが報告されています。

レーザー 3D プリントガラス技術 レーザーを使用したガラスの3Dプリントに関する研究は年々増加しています。レーザーガラス粉末レーザー焼結/融合およびステレオリソグラフィーが含まれます。 SLS は金属、セラミック、ポリマーに適用されており、より困難ではあるもののガラスにも適用可能です。

SLM 方式によるガラス印刷の原理は、金属印刷の原理と似ています。成形原理は、粉末塗布装置を使用してガラス粉末の層を基板または成形部品の上面に塗布し、制御システムが高エネルギーレーザービームを制御して、対応する層の断面プロファイルに従ってガラス粉末層をスキャンし、ガラス粉末が溶融して基板または下の既に成形された部品と融合するようにします。断面の層が溶融すると、作業台は 1 つの印刷層の厚さだけ下げ、次に粉末散布装置が別のガラス粉末層を散布して新たな溶融印刷ラウンドを実行し、部品が印刷されるまでこのプロセスが繰り返されます。印刷されたブランクは熱処理炉に入れられ、設定された温度システム、焼成雰囲気、圧力に従って熱処理が行われます。ガラス印刷の SLM 方式は、3D ガラス精密印刷を実現するための最も有望な技術です。

SLA方式によるガラス印刷の基本原理は、ガラス樹脂スラリー（ガラス粉末を感光性モノマーに分散させ、必要に応じて他の材料を加える）を原料とし、紫外線レーザーを使用して樹脂を層ごとに固めることです。さまざまな方法があります。たとえば、

コンピュータがレーザーを制御し、紫外線レーザー光線を照射して部品のスライス輪郭情報に従ってガラス樹脂をスキャンし、スキャンされた部品の感光性樹脂を重合（硬化）させて薄層断面を形成します。ガラス樹脂の層が硬化したら、作業台を層の厚さまで下げ、硬化した部分にガラス樹脂の別の層を被せます。スクレーパーで液面を平らにしてから、次の層をスキャンし、部品が完成するまでこのプロセスを繰り返します。

ガラス樹脂の粘度が高く流動性が悪い場合は反転印刷が使用できます。作業台を樹脂に浸し、部品スライスの輪郭情報に合わせて下から上に向かって紫外線を照射し固めます。薄い層が硬化すると、作業台は 1 層分上昇し、新たな硬化サイクルが実行されます。このプロセスは部品が印刷されるまで繰り返されます。印刷されたブランクは、設定された温度システム、焼成雰囲気、圧力に従って炉内に配置され、熱処理されます。このプロセスは 2 つの段階に分かれています。選択された有機物を特定の温度に加熱してブランク内の有機物を除去します。これは欠陥が発生しやすい非常に敏感な段階です。次に、1000°C 以上に加熱して緻密化を達成し、ガラスを形成し、焼結を完了し、冷却後に最終的なガラス製品を得ることができます。下の図1を参照してください。

私が所属する研究グループは、レーザー 3D プリントガラスの研究と調査を国内で最初に実施したグループの 1 つです。平均粒子径50nmの気相SiO2粉末を、ヒドロキシエチルメタクリレート（感光性モノマー）、テトラエチレングリコールジアクリレート（架橋剤）、ベンゾインジメチルエーテル（光開始剤）の混合溶媒に分散機で分散させ、流動性の良い液状ガラススラリーを形成した。このガラススラリーを型に入れて紫外線ランプで硬化させ、光硬化型3次元成形への使用可能性を検証した。次に、ガラススラリーを原料として使用し、光硬化型ラピッドプロトタイピングマシンを使用して、レーザー出力 70 mW、スキャン速度 2000 mm/s でブロックブランクを印刷しました。その後、ブロックブランクを熱処理で除去し、最終的に 1250 °C で透明なガラスブロックを得ました (下の図 2 を参照)。

サンプルの測定された吸収スペクトルから、最終的なガラスサンプルは可視光範囲で吸収があり、図3に示すように良好な光透過率を証明していることがわかります。

レーザー 3D プリントガラスアプリケーション レーザー 3D プリントガラスは、応用面で非常に有望です。従来のガラスでは、微細構造を作成するためにフッ化水素酸エッチングまたはレーザーエッチングが必要であり、作成プロセスは危険で、環境を汚染し、エネルギーを大量に消費し、非効率的である場合が多いため、3D プリントガラスの利点は明らかです。複雑な構造と高精度を備えた精巧なガラス製品を印刷できるだけでなく、精密な光学部品の印刷にも使用できます。

精巧な光学アクセサリー ガラスは一般的に見た目が透明感があり、精巧な工芸品や装飾品、ペンダントや置物などに使われています。昔から人々に愛され、国宝にも数えられています。従来の成形方法では、内部に不規則な形状の穴がある構造物を作製することが困難です。図4はレーザー3Dプリントで作られた城門です。全体の構造はわずか数ミリの大きさで、3Dプリントガラスをパーソナライズされた工芸品に使用する可能性を示しています。

マイクロTAS（マイクロ化学分析装置）
近年、マイクロ化学分析装置は身体検査などの幅広い用途に広く使用されています。従来のフェムト秒レーザーエッチングでは、高価なフェムト秒レーザーシステムの使用が必要であり、また、流路表面の粗さや細孔サイズの不均一性など多くの問題があります。レーザー 3D プリントガラス技術を使用することで、図 5 に示すように、任意の形状の複雑な 3 次元流路を実現できます。今後、広く利用されることが期待されます。

光学部品 従来のマイクロ光学デバイスは、一般的に成形法を使用して構築されます。この方法では、精密な金型を準備し、特定の温度に加熱したガラスをホットプレスして、特定の幾何学的構造を持つ構造を形成する必要があります。全体のプロセスは比較的時間がかかりますが、レーザー 3D プリントでは 2 次元または 3 次元の構造を直接形成できるため、特定の回折などの機能を実現できます。図 6 は、それぞれマイクロ格子とマイクロレンズアレイの役割を果たすレーザー 3D プリントガラスの構造を示しています。今後、3Dプリンティングの解像度がさらにサブ波長まで向上すれば、3次元フォトニック結晶構造を実現し、マイクロ光学分野で大きな威力を発揮することが期待されます。

要約と展望 現在、プラスチックや金属などの材料の3Dプリント技術はますます成熟しており、ガラスへの3Dプリント技術の応用が徐々に注目を集めています。レーザー3Dプリントガラス技術により、3Dプリントに使用できる材料の種類がさらに拡大し、ガラスという古代の素材に再び新たな命が吹き込まれました。

3D プリントでガラスを使用する場合、いくつかの要素が重要です。

ガラス原料の成分と成分間の適切な比率。
使用されるガラス粉末粒子のサイズと形態。
層の厚さや適切なレーザー出力などの印刷パラメータの設定。
印刷後の後処理プロセス、予備焼成中の温度勾配設定、および最終的な焼結操作方法。単純な形態のサンプルは直接焼結できますが、複雑なサンプルは粉末で埋めて焼結中の変形を減らすことができます。
最終製品の機械的特性と光学的特性は、ガラス製品を評価する上で重要な要素です。印刷されたガラス製品の性能が実用基準を満たさない場合、ガラス 3D 印刷は従来のガラス製造方法との競争力を失います。

現在、ガラス3Dプリントには、印刷精度が低い、熱処理中に製品が変形するなど、まだ多くの問題があります。また、現在レーザー3Dプリントで印刷されているガラスサンプルはサイズが比較的小さく、実用化や商品化にはまだ遠いです。ガラスのレーザー3Dプリント技術はまだ研究開発段階ですが、将来的には幅広い応用の見通しが見込まれます。複雑な構造と高精度を備えた精巧なガラス製品の印刷に加えて、マイクロ流体チップ、光回折構造、レンズなどの精密光学部品の印刷にも使用できます。

著者: 楊悦、千斌、劉昌、邱建栄

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