感光性樹脂材料：知らない用途がきっとある

この投稿は Little Raccoon によって 2017-3-17 09:06 に最後に編集されました。

光硬化材料は、4,000年以上前に古代エジプト人がミイラを作る際に使用されていました。記録によると、古代エジプト人はミイラをアスファルトに浸した麻布で包んでいた。アスファルトには不飽和化合物が含まれているため、日光にさらされると固まる。私の国では、人々は桐油を木製の道具に染み込ませ、日光の下に置いて硬化させます。これにより、木材の表面に防水、防漏、耐摩耗の保護層を形成することもできます。実は、これも光硬化技術の応用です。 1940 年代に、不飽和ポリエステルとスチレンから、初めて特許を取得した UV 硬化コーティングが作られました。 1968年、ドイツの企業が初めて不飽和樹脂とベンゾインエーテルのUV硬化システムを使用して商用製品を生産し、第一世代のUV硬化コーティングを開発しました。 1970 年代初頭、米国の 2 つの化学会社が UV 硬化インクを開発しました。その後、急速にアクリル光硬化塗料を開発し、米国で光硬化塗料ブームを巻き起こしました。1972年だけで、ライン速度が毎分120メートルの大型組立ラインが16本設置され、塗料乾燥史上前例のない高速化を実現し、塗料業界から大きな注目を集めました。これは第2世代の光硬化コーティングと呼ばれます。

樹脂はプラスチック製品を作るための原料です。天然樹脂や人工樹脂など多くの種類があります。紫外線に敏感な樹脂（感光性樹脂）に限定すると、樹脂の選択肢は多くありません。感光性樹脂材料は、主にステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、ポリマージェッティング (PolyJet) などの光重合 3D 印刷技術、および新興の連続液体インターフェース製造技術 (CLIP) と 2 光子 3D 印刷 (TPP) に適しています。

感光性樹脂は UV 樹脂とも呼ばれ、多くの利点を持つ特殊な樹脂です。感光性プレポリマー、活性希釈剤、光増感剤で構成されています。感光性樹脂は一般的に液体の状態であり、特定の波長（250nm～400nm）の紫外線を照射すると、直ちに重合反応を起こして硬化を完了します。感光性樹脂は用途が広く、高強度、耐高温、防水性材料の製造に使用でき、省エネ、低汚染、硬化速度が速く、生産効率が高いという特徴があります。
3D プリントに適した認定感光性樹脂は、以下の要件を満たす必要があります。
1.特定の波長の光源に対する高い感度。ほとんどの 3D 印刷プロセスでは、反応を誘発するための光源として特定の波長の光源を使用するため、感光性樹脂材料は光源に対して非常に敏感である必要があります。
2.適切な光硬化速度。 3D プリント用感光性樹脂は、次の樹脂層と上層の樹脂が素早く硬化できるように、硬化速度が速い必要がありますが、硬化速度が速すぎてもいけません。接着剤として使用される感光性樹脂は、樹脂が所定の位置に浸透する前に硬化して樹脂が流れ続けることができなくなり、接着性能が低下するのを防ぐために、硬化速度が樹脂浸透速度よりも遅くなるようにする必要があります。
現在、一般的な感光性樹脂は、アクリレート樹脂とエポキシ樹脂の 2 つのカテゴリに分けられます。
1.エポキシ樹脂
エポキシ樹脂（略して EP）は、3D プリント用の最も一般的な感光性樹脂です。エポキシ樹脂は、1930年にスイスのピエール・カスタンとアメリカのSQグリーンリーによって初めて合成された熱硬化性プラスチックです。我が国は1958年にエポキシ樹脂の研究を開始し、急速に工業生産に移行しました。これらの樹脂は、鋳造、含浸、積層材料、接着剤、コーティングなどの目的で、防衛や国民経済のさまざまな分野で広く使用できます。
3D プリントの材料としてのエポキシ樹脂は、充填剤としてのシリコンカーバイドや炭素繊維に加えて、粘度を高めるためにナノクレイフレークを使用することができます。これらの充填剤の組み合わせを変えることで、科学者はさまざまなニーズに合わせて材料の強度を自由に制御できます。この新素材は、軽量の自動車や飛行機の製造、軽量建築物の構造部材として利用することができ、理想的な素材です。

エポキシ樹脂に約1%の炭素繊維複合材料を加えた3Dプリントハニカム構造
3D プリントにおけるエポキシ樹脂のもう一つの重要な用途は、接着剤としての使用です。エポキシ樹脂は無機物や金属粉末材料との相性が良く、無機物や金属粉末の表面に素早く浸透します。エポキシ樹脂は感光性コーティングとして広く研究され、人々の日常生活で使用されています。製品の種類は多く、用途も多岐にわたります。対応するエポキシ樹脂感光性材料は、さまざまなシステムで見つけることができます。

デザイン会社Kol/Macがエポキシ樹脂を使用して印刷した「木の根の椅子」の製作には1か月半かかりました（画像提供： IT Times）
エポキシ樹脂で印刷されたプーチン大統領の頭部（写真提供：Antarctic Bear）

エポキシ樹脂で印刷したモデル（画像出典：ejdyin.com）
2アクリル
アクリルは、淡色、耐光性、耐熱性、耐薬品性などの特性があり、用途や種類も多岐にわたります。 3D プリント技術をアクリレートモノマーと組み合わせて使用すると、アクリレートモノマーを光開始剤と混合することができ、光開始剤は紫外線領域の特定の波長のエネルギーを吸収し、開始剤はフリーラジカルを生成します。フリーラジカル重合の利点は、反応が速く、硬化時間が短いことです。しかし、フリーラジカル重合は酸素の影響を受けます。フリーラジカルは空気中の酸素と反応して消費され、重合が妨げられます。マクロ的な症状としては、硬化後に感光性樹脂の表面層が完全に硬化せず、べたつく感じがします。
また、セラミックや金属も印刷材料として使用できます。セラミック粉末とアクリレートを 1:1 の比率で混合すると、樹脂がバインダーとして機能します。セラミック粉末を添加した樹脂は、物体の形状を保持できる程度に硬くなります。セラミック粉末が添加された完成品は炉で焼かれ、ポリマーが除去され、セラミック成分が結合され、最終製品中のセラミック含有量は 99% にまで達します。この方法は金属粉末を含んだアクリル樹脂にも適用できます。

アクリル素材から作られた3Dプリントオブジェクト

アクリルを使用して印刷された都市モデル（画像提供：Shapeways）
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アクリルで印刷された電車（画像提供：Shapeways）
第 5 椎骨の置換に使用される世界初のアクリル 3D プリント椎骨インプラント (画像提供: 3ders.com)
アクリルで印刷された透明製品（画像提供：3ders.com）
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感光性樹脂材料：知らない用途がきっとある

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