「国際極限製造ジャーナル」: インクジェット技術に基づくコンフォーマル付加製造技術

出典: Additive Industries

従来の積層造形技術は、平坦な層ごとに製造する方法に制限があり、複雑な曲面上に機能デバイスを直接製造することは困難です。インクジェット技術をベースとした適応型積層造形技術が登場しました。高精度のインクジェットプリントヘッドを使用して、機能性材料を3次元物体の表面に直接堆積させ、平面の限界を打ち破り、3次元機能デバイスの製造に新たなソリューションを提供します。最近、International Journal of Extreme Manufacturing（IF = 16.1）に掲載されたレビュー研究では、インクジェット技術に基づくコンフォーマル積層造形技術が、技術原理、利点と特徴、応用分野など、さまざまな側面から詳細に紹介されました。

3D 印刷技術としても知られる付加製造技術は、独自の層ごとの製造方法により、複雑な構造部品の製造に大きな柔軟性と設計の自由度を提供します。しかし、従来の積層造形技術では、通常、平面上にしか材料を堆積できず、複雑な曲面上に機能デバイスを直接製造することが困難であり、エレクトロニクス、バイオメディカルなどの分野での応用が大きく制限されています。
近年、インクジェット印刷技術の急速な発展に伴い、インクジェット技術をベースにしたコンフォーマル積層造形技術が徐々に登場してきました。非接触型の積層造形技術であるインクジェット印刷は、低コスト、高い拡張性、大規模製造への適合性などの利点により、材料堆積の分野で顕著な技術的特性を示しています。

この技術は、オンデマンドの正確な液滴吐出と非接触の材料供給を可能にし、生体材料、医薬品、グラフェン、機能性ポリマー、電極材料など、さまざまな機能性材料の堆積に広く使用されています。さらに、インクジェット印刷は複数の材料の連続的な堆積もサポートし、複雑な構造や多機能デバイスの製造に効率的で柔軟なソリューションを提供します。

技術原理 インクジェット技術に基づくコンフォーマル積層造形技術の動作原理は、従来のインクジェットプリンターの動作原理と似ていますが、その中核は高精度のインクジェットプリントヘッドと精密な動作制御システムの連携にあります。

インクジェットプリントヘッド: インクジェットプリントヘッドは、コンフォーマル積層造形技術の中核コンポーネントです。精密な圧電素子または熱バブルジェネレーターが装備されており、機能性材料溶液を小さな液滴に変換し、液滴のサイズと射出速度を正確に制御できます。現在、一般的に使用されている機能性材料としては、導電性インク、半導体材料、誘電体材料、生体材料などがあります。

モーションコントロールシステム: モーションコントロールシステムは、さまざまな複雑な曲面に適応できるようにインクジェットプリントヘッドの位置と角度を制御する役割を果たします。システムは、対象物の 3D モデルに基づいて印刷パスを自動的に計画し、プリントヘッドが常に表面との最適な距離と角度を維持するようにすることで、高精度で高解像度の材料堆積を実現します。

インクジェットモード インクジェット技術は、噴射プロセスの連続性に応じて、連続インクジェットとオンデマンドインクジェットの 2 つのカテゴリに分類できます。さまざまな種類のインクジェット技術とその製造アプリケーションでは、各タイプの噴射モードが独自のパフォーマンス上の利点を示します。

ピエゾインクジェット：幅広い材料との互換性で知られています。

サーマルバブルインクジェット：生体材料への優れた適応性を示します。

エアロゾルジェット技術：幅広い材料の適用範囲を持ち、材料比率の現場でのリアルタイム調整をサポートします。

電気流体力学的噴射: 高解像度の印刷とマルチモーダル材料噴射の実現を目指し、マイクロおよびナノスケールの製造分野でその可能性を発揮します。

インクジェットに基づく3種類のコンフォーマル積層造形モード: (a) 圧電ジェットモード、(b) 熱バブルジェットモード、(c) 電気流体力学ジェットモード、(d) エアロゾルジェットモード
インクジェット積層造形技術の利点 インクジェットコンフォーマル積層造形技術は、多次元プロセスの柔軟性、多様なデジタルドライブインターフェース、マルチマテリアル印刷機能が特徴です。この技術は、高度なデジタル駆動方式を使用してインクの堆積と印刷プロセスを正確に制御し、複雑なコンフォーマル表面の製造ニーズを満たし、製造の精度と効率を大幅に向上させます。

3.1 マルチマテリアル機能 コンフォーマル製造におけるインクジェット印刷の核となる利点は、マルチマテリアル堆積機能にあります。この機能により、液体や固体などの異なる機能や物理的状態を持つ材料を連続的に印刷でき、その場での混合も実現できます。この機能により、多機能複合構造（半導体、回路など）の製造において独自の利点が得られます。

機能性材料の連続堆積: 従来の方法では通常、単一の材料または複雑な複数の材料の組み合わせのステップに限定されますが、インクジェット印刷では、ノズルの動きとインクの堆積を正確に制御することで、複数の材料の印刷プロセスを簡素化します。

液体と固体の共印刷: インクジェット印刷は、固体と非固体の材料の共堆積を実現し、複雑な 3D 構造の製造をサポートし、マイクロ流体工学、チップ実験装置、ロボット工学で広く使用されています (下の図 a を参照)。

インサイチュ混合: インクジェット印刷では、インクの噴射比率と混合方法を正確に制御することで、マイクロスケールでの材料勾配コンポーネントの製造を実現し、機能性勾配材料のニーズを満たすことができます。例えば、エアロゾルジェットプリンティングでは、印刷工程中に材料の混合比率をリアルタイムで調整できるため、高性能フィルムや多機能構造物の製造が可能になります（下図b参照）。

マルチマテリアル印刷技術は、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギー貯蔵、航空宇宙、パーソナライズされた製品設計など、幅広い応用の可能性を示しています。ただし、これらの利点を実現するには、材料間の界面適合性（濡れ性、粗さ、化学的適合性など）が重要であり、表面処理（プラズマや紫外線照射など）と最適化された材料選択によって対処する必要があります。多様化するデジタルドライブ インクジェットコンフォーマル積層造形技術と機械学習（ML）や人工知能（AI）などのデジタル駆動技術を組み合わせることで、インテリジェントな製造制御を実現しました。この統合により、液滴噴射、複雑な基板への正確な堆積、エラー管理が最適化され、困難な製造タスクに対するソリューションが提供されます。

デジタルドライブの利点は次のとおりです。
プロセスパラメータの最適化: ML は、液滴の吐出動作と印刷結果の関係を分析することで、印刷条件を最適化し、実験コストを削減します。たとえば、圧電ジェット印刷技術は、周波数や電圧などのパラメータを分析することで、スプレー動作を予測し、インク設計を最適化します。

複雑な基板への適応: エアロゾルジェット印刷技術は、ML を使用してプロセスパラメータと印刷品質の間に非線形関係を確立し、複雑な曲面への正確な堆積を実現します。たとえば、シースガスフローおよびキャリアガスフローの最適化は、データ駆動型アプローチによって実現できます。

インテリジェントなエラー管理: デジタルドライブテクノロジーは、閉ループ制御と印刷パラメータのリアルタイム調整をサポートし、製造の精度と効率を向上させます。

デジタルドライブの利点3.3 多次元プロセスの柔軟性 非接触技術であるインクジェット印刷は、柔軟性と適応性に優れています。複雑な表面や多様な基板に適応できるため、コンフォーマル製造の重要な技術となっています。

1. 垂直製造の柔軟性

複雑な表面は多くの場合、さまざまなガウス曲率を持ち、従来の接触製造技術では課題となります。これらの表面や柔らかい基板に直接接触すると、変形が生じ、精度に影響する可能性があります。インクジェット印刷は、非接触の材料堆積によってこれらの問題を回避し、ノズルと基板間の距離を正確に制御し、摩擦と変形を減らして、高精度の製造を実現します。

2. 水平製造次元における柔軟性水平製造次元では、インクジェット印刷はマルチノズルシステムを通じて高スループット製造を実現します。数百または数千のノズルが同時に動作し、複数の構造または構造の異なる部分の並行印刷をサポートします。これは、薬物スクリーニング、リアクター、遺伝子配列決定などの分野で重要な用途があります。例えば、DNA合成では、マルチノズルモードによりカップリング剤を正確に堆積させ、反応効率を向上させることができます。この高スループット機能により、複雑な 3 次元構造の迅速な製造が可能になります。

3. 材料開発の柔軟性インクジェット印刷は、他の製造プロセス（選択的レーザー溶融など）と組み合わせて、高スループットの材料スクリーニングをサポートし、新しい材料の発見と応用を加速することができます。たとえば、再生可能エネルギー貯蔵の分野では、インクジェット印刷により固体電気触媒を迅速にスクリーニングし、新しいペロブスカイト膜の発見を加速することができます (下の図 b ～ d を参照)。このハイスループットスクリーニング機能は、特にレオロジー特性が異なる基板上でのコンフォーマル製造における材料開発に独自の利点をもたらします。

インクジェットベースのコンフォーマル積層造形における多次元プロセスの柔軟性
インクジェットベースのコンフォーマル積層造形の応用分野 インクジェットベースのコンフォーマル積層造形は、その独自の利点により、コンフォーマルエレクトロニクス、エネルギーデバイス、バイオ製造、スーパーサーフェス製造などの新興技術分野で無限の可能性を秘めています。

4.1 スマートおよびモノのインターネット (IoT) アプリケーション向けコンフォーマルエレクトロニクス コンフォーマルエレクトロニクスの拡張性と持続可能性は、主にインクの配合と印刷プロセスによって制限されます。コンフォーマルエレクトロニクスの構造的複雑さが増すにつれ、特にワイヤレス多機能システムでは、高精度で統合された製造の必要性が高まっています。

下の図(a)は、現在のインクジェット印刷技術を使用して作られた曲面電子製品を示しています。ほとんどのコンフォーマルエレクトロニクス製造では、フレキシブル基板への印刷と複雑な表面への転写が使用されていますが、このアプローチでは、伸縮性のない材料や伸縮性の低い材料には限界があります。インクジェットベースのコンフォーマル積層造形により、追加のマスクやアクセサリが不要になり、材料や基板のオプションが拡張され、共面から 3 次元までの印刷がサポートされます。重要な進歩は、面倒な転送および組み立てプロセスを回避し、曲面上で直接コンフォーマル製造を実現することです。

スマートおよび IoT アプリケーション向けの適応型製造現在、コンフォーマルエレクトロニクスの製造とエレクトロニクス分野におけるその潜在的なアプリケーションは、主にコンフォーマルアンテナとセンサー、ウェアラブルデバイスに焦点を当てています。

4.2 エネルギー収集および貯蔵デバイス 科学技術の進歩と世界的な低炭素推進により、エネルギー機器はより高いエネルギー利用効率と変換率に向けて発展しています。コンフォーマル構造はエネルギーデバイスにおいて大きな可能性を秘めており、熱電発電機 (TEG) やイオン電池が代表的な用途です。

熱電発電機（TEG）
世界のエネルギー消費量の約 3 分の 2 は熱の形で無駄になっています。TEG は自己発電装置として、廃熱を電気エネルギーに変換できます。変換効率を向上させるには、熱損失を最小限に抑える必要があります。熱電材料の性能が向上するにつれて、より効率的な TEG を設計し、その信頼性を確保することが重要になります。
効率的に熱を集めるには、TEG が人体などの形状が変化する熱源にぴったりとフィットする必要があります。インクジェットベースのコンフォーマル積層造形法では、3D 形状の TEG を直接印刷できるため、従来の方法における平面基板の制限を回避し、垂直方向の熱収集をサポートします。このコンフォーマル設計は、熱収集効率を向上させるだけでなく、変形条件下でも安定して動作するため、低温および大面積のエネルギー収集に適しています。

イオン電池イオン電池は現代のエネルギー貯蔵の中核であり、携帯電源や電気自動車などの分野で広く使用されています。しかし、従来のバッテリーは形状が固定されており、複雑な形状のデバイスに統合することが困難です。また、インターフェースの不一致や充放電速度の遅さなどの問題もあります。パフォーマンスを向上させるには、デバイスとの密着性を確保するために、バッテリー表面に均一なコンフォーマルコーティングを施す必要があります。インクジェットベースのコンフォーマル積層製造技術は、複雑な表面に形状が一致するイオン電池を直接統合し、電池のエネルギー密度を向上させ、従来の方法の限界を克服し、電池の効率と安全性を向上させ、将来のエネルギー貯蔵のニーズを満たすことができます。

バイオエレクトロニクスと医療アプリケーション コンフォーマルバイオエレクトロニクスデバイスは、皮膚に密着して生体信号を正確に監視し、効率的な治療を提供できるため、研究のホットスポットとなっています。埋め込み型デバイスは病変部位で直接診断と治療を行うことができますが、その有効性はデバイスが病変部位に安定して接着されるかどうかに依存します。皮膚分泌物や機械的な不適合の問題は接着効果に影響を与えるため、免疫反応を引き起こさない適合性のある接着剤の開発が必要です。

人体の構造は複雑なため、接着剤に対する要求は高くなります。既存のテクノロジーは外部デバイスに依存しているため、デバイスを生物システムに統合することが制限されます。柔らかい電子デバイスを脳に機械的に適合させることで、免疫反応を軽減できます。この原理は、インクジェット積層造形技術と組み合わせることで、電子デバイスと生物組織とのインターフェースの理論的裏付けとなります。

バイオ製造、特にソフト神経プローブやマイクロ電極アレイの製造におけるインクジェット付加製造技術の応用により、電子デバイスと生物システムの統合が向上します。さらに、バイオプリントピクセルの概念は、生体材料の移植や臓器の修復などの分野でインクジェット印刷技術の新たな道を開きました。

まとめると、インクジェット積層造形技術は、生体材料を堆積できるだけでなく、導電性、透明、曲げ可能、伸縮可能な生体適合性デバイスも製造でき、表面設計の自由度が高く、生物サンプルとの最適な接触を形成できるため、バイオプリンティングの新たな発展方向を提供します。

概要 インクジェット技術に基づくコンフォーマル積層造形技術は、従来の積層造形技術の平面的な限界を打ち破り、3次元機能デバイスの製造に新たなソリューションを提供します。この技術は、高精度、高解像度、幅広い材料選択、非接触印刷などの利点があり、航空宇宙、バイオメディカル、民生用電子機器、モノのインターネットなどの分野で幅広い応用が期待されています。今後、技術の継続的な発展と向上により、インクジェット技術をベースとしたコンフォーマル積層造形技術はより多くの分野で活躍し、人類社会の発展に大きく貢献するでしょう。

論文リンク:
[1] 10.1088/2631-7990/ada8e6

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