ガラス3Dプリントの急速な進化

従来の方法と比較して、3D プリント技術を使用してガラス製品を製造することには、いくつかの明らかな利点があります。1 つは、非常に複雑な形状を作成できること、もう 1 つは、埋め込まれたマイクロ流体チャネルを作成できるため、製品に実用的な機能を与えることができることです。

3D プリントガラスの起源は 2009 年にまで遡ります。それ以来、世界中でさまざまな 3D プリントガラスプロセスが登場しました。

イスラエルの Micron3DP は、3D プリントガラスの先駆者の 1 つです。彼らが使用する技術は、FDM に似た溶融押し出しです。速度が速く、解像度が高く、最大加熱温度が 1640 度です。ソーダ石灰ガラスとホウケイ酸ガラスを印刷できます。同社は今後、3Dプリント可能なガラス素材をさらに開発していきたいと考えている。

▲Micron3DPの3Dプリントガラス製品
米国の有名大学であるマサチューセッツ工科大学（MIT）は、Micron3DPに続く新規参入者であり、G3DPと呼ばれるガラスを開発しました。溶融押し出し技術も採用していますが、印刷サイズが大きく、製造能力も強力です（30kgの溶融ガラスを連続的に堆積できます）。また、より強力なデジタル統合熱制御システムと新しい4軸モーション制御システムも採用しており、前者はガラス成形の各段階を適切に制御でき、後者は流量と印刷精度を正確に制御できます。

さらに優れているのは、この機械は印刷層の厚さだけでなく、ガラスの透明度、色、透過率、反射、屈折などのパラメータも制御できることです。機械自体には窯が内蔵されており、そこでガラス原料が溶かされ、ノズルから押し出されます。

▲MITの3Dプリントガラス製品
ただし、すべてのガラス 3D プリンターが溶融押し出し技術を使用しているわけではありません。たとえば、今年初め、ドイツのカールスルーエ工科大学 (KIT) は、ステレオリソグラフィー (SLA) 技術を使用してガラスの 3D プリントを実現しました。この方法の利点は、より小さく複雑なオブジェクトを生成できることです。

▲KITの3Dプリントガラス製品
KITの研究者によると、この技術は従来のガラス製造方法よりも速く、化学エッチングも必要としないという。使用する材料は、ガラス粉末を液状の感光性樹脂に懸濁させた混合溶液です。印刷が完了したら、製品を高温のオーブンに入れて加熱し、樹脂を焼き尽くし、純粋なガラス製品が得られます。

2016年、ドイツのフラウンホーファーセラミック技術研究所とIKTSシステム研究所は、マイクロリアクターなどの非常に複雑で小さな部品を印刷できる新しい3D印刷技術を開発しました。金属、ガラス、セラミックの粉末材料がバインダー内で均一に混合されます。粘度も正確に制御されており、混合された粉末材料は「薄すぎ」ても「厚すぎ」てもいけません。そうすることで、プリンターはスムーズに印刷できるようになります。

フラウンホーファー研究所が開発した 3D 印刷技術では、セラミック、ガラス、金属粉末懸濁液などの材料を印刷できます。セラミック、ガラス、または金属の粉末を、80 ℃ で液体に溶ける低融点熱可塑性バインダーに混合します。印刷プロセス中、プリンターの電気温度によってバインダーが溶け、セラミック、ガラス、または金属粉末が混合された液滴の形で材料が堆積されます。堆積後、液滴は急速に冷却されて硬化し、立体物が点ごとに徐々に印刷されます。

2017年、カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者らは、多孔質構造や不均一構造につながる問題を解決したと考えられる一連のカスタマイズされたガラスインクを作成した。

LLNL が使用するガラス粒子の濃縮懸濁液は、流動特性が高度に制御されているため、室温での印刷要件を満たすことができます。 LLNL の研究者らは、これらの特殊なインクは熱処理することで密度を高め、印刷プロセス中のその他の問題を排除できると述べている。熱処理後、研究者は光学品質の研磨を行って部品をより均一にし、光学性能要件を満たすこともできます。 3D Science Valley は、LLNL の 3D 印刷技術を使用して組成の勾配を作成できることを知りました。これらの 3D 印刷された光学部品を使用すると、光学システムのサイズ、重量、またはコストを削減できます。

LLNL の方法は、レーザーなどの光学用途のガラスの製造に使用できる可能性があり、3D プリントにより製造が容易になり、コストも削減されます。

ガラス 3D プリントは短期間で大きく進歩しました。ほんの数年前には、ガラス 3D プリントはまったく存在していませんでした。現在、3D プリントガラスは、芸術から建築、光学、マイクロ流体工学に至るまでさまざまな分野で使用されています。 3D プリントガラスが従来のガラス製造方法に取って代わる可能性は低いですが、このプロセスは従来の製造プロセスでは実現できない領域を強力に補完します。

さらに読む:
MITが高精度ガラス3Dプリント技術を開発
《SLA技術の派生である透明ガラスの3Dプリント》

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出典: 3Dサイエンスバレー

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