Nature サブジャーナル: 単一液滴連続光硬化 3D プリント

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

3D プリンティング、特にステレオリソグラフィープロセスは、微細な 3 次元構造を構築するための最も有望な方法の 1 つになっています。しかし、依然として大きな制限があります。材料の利用という点では、印刷前に未硬化樹脂を大量に材料タンク全体を覆う必要があり、材料コストが増加するだけでなく、無駄も生じます。さらに、UV 樹脂は発熱性があるため、特に高い UV 強度を必要とする高速印刷の場合、連続印刷の要件を満たすには放熱が不十分です。樹脂が硬化構造の表面に残り、UV プロジェクターからの残光などの励起光にさらされ続けると、さらなる硬化と不安定性が発生し、3D プリントの解像度が低下します。この目的のため、中国科学院化学研究所の宋燕林氏と呉磊氏は、印刷プロセス中の三相接触線（TCL）の後退現象を研究し、「単一液滴からの連続3D印刷」と題する研究結果をNature Communicationsに発表しました。これにより、光硬化3D印刷の材料利用率が大幅に向上しました。

界面の観点から見ると、基板の化学組成と表面粗さは、三相接触線 (TCL) のダイナミクスに大きな影響を与えます。天然の蓮やウツボカズラの表面を観察すると、表面の空気や液体によって基板上の界面の接着力が大幅に低下し、液体がこれらの表面に接触すると液滴が球状に接触したり、滑り現象が生じたりする可能性があることがわかります。これらの現象にヒントを得て、研究者らは、高い材料利用効率で単一の液滴から 3D 構造を製造するための界面操作方法を実証しました。このシステムは、液体樹脂の付着性が低く、硬化樹脂の付着性も低い硬化インターフェースを採用しており、3D 印刷プロセスで引き込み可能な 3 相接触ラインを実現できます。印刷工程における残留樹脂の量が効果的に削減され、樹脂利用率が大幅に向上します。さらに、このプロセスでは、高速印刷時に高 UV 強度によって引き起こされる過剰硬化も防止します。

単滴連続光硬化印刷は、図1に示すように、主に4つのステップに分けられます。(1) 液体樹脂の滴を照射面に滴下します。(2) 成形面が下降して滴に接触します。(3) 硬化界面にUVパターンを連続的に投影し、成形面を一定速度で持ち上げることで、液体樹脂を表示されたUVパターンに硬化させることができます。(4) 印刷プロセス中、液体樹脂が消費されるにつれて、樹脂滴のTCLが減少します。最後に、液滴は基板上にほとんど残留物が残らない状態で、目的の 3D 固化構造に固化されます。図1bに示すように、長さ24mmの硬化円筒グリッド構造が使用され、樹脂利用率は99.6%でした。液状樹脂と成形面との接着により、残りの0.4%の液状樹脂が成形面に残ります。

図 1 単一液滴連続光硬化印刷プロセスの概略図と対応するタイミング図。単一液滴 3D 印刷を実現するための硬化界面の基本要件は、液体樹脂の TCL が硬化界面で消えることです。化学組成を調整したり、マイクロ/ナノ構造を通して表面を改質したりして表面エネルギーを下げると、表面の撥液性（接触角の増大）が向上するだけでなく、液滴の運動性能も向上します。

研究者らは、フッ素化石英（F-石英）基板、ろうそくの煙をベースとした超両親媒性基板、潤滑剤を注入したポリジメチルシロキサン（S-PDMS）の滑らかな基板という3つの典型的な基板を選択し、硬化界面特性がシングルドロップ3D印刷プロセスに与える影響を研究しました。図 2 dg、jm、ps は、それぞれ F-石英、超両親媒性、潤滑剤注入 PDMS 基板上の樹脂滴の詳細な UV 硬化プロセスを示しています。すべての基質は液滴 TCL の退縮を促進しました。しかし、3つの間には一定の違いがあります。 F-石英基板と超双疎水性基板の破面と側壁のストライプと比較すると、S-PDMS 基板は単一液滴 3D 印刷に最適です。

図2 ボトムアップUV照射下での単一液滴印刷プロセスの原理と実際の印刷プロセス。硬化界面がTCL後退挙動と3D印刷構造の制御に与える影響をさらに研究しました。上記の実験に基づくと、凝固界面の接触角と比較して、界面の接着効果は単一液滴 3D 印刷にとってより重要です。研究対象の界面の接着解析により、図 3b に示すように、単一液滴 3D 印刷プロセスは 2 つの条件を満たす必要があることがわかりました。まず、液体樹脂と固化樹脂の接着力が液体樹脂と固化界面の接着力よりも大きくなければなりません。そうすることで、印刷プロセス中に TCL が後退し続けることができ、液滴が固化して目的の 3 次元構造が得られることが決定されます。次に、液体樹脂と固化界面の接着力が固化樹脂と固化界面の接着力よりも大きくなければなりません。このようにしてのみ、固化樹脂が固化界面から分離し、連続的な固化プロセスを実現し、連続 3D 印刷を実現できます。

材料利用効率は印刷効率を評価する上で重要な要素です。そこで研究者らは、図3cdに示すように、単一液滴印刷中の正味材料利用率を反映する、乾燥構造と初期の液体樹脂の重量比をさらに研究した。結果は、単一液滴 3D 印刷プロセス中に、UV パターンの変化が接触線の形態と硬化構造上の液体樹脂の 3 次元分布に本質的に影響を及ぼし、それによって印刷された 3D 構造の形態が決定されることを示しています。材料利用効率の高いシングルドロップレット 3D 印刷プロセスは、残留物を削減できるだけでなく、印刷精度も向上します。

図 3 液滴重量と UV モードが樹脂利用効率に与える影響材料利用効率の向上に後押しされ、研究者らは図 4 に示すように、歯の構造を印刷する際の単一液滴 3D 印刷プロセスの能力をさらに実証しました。硬化界面に層ごとの UV 画像を連続的に投影することで、歯の構造を連続的に硬化させることができ、同時に樹脂液滴の TCL が硬化界面で連続的に後退します。

図 4 単一液滴 3D プリントで作製された微細歯構造界面特性変調の概念により、樹脂の TCL は UV 硬化中に徐々に後退し、樹脂を効率的に硬化させて目的の 3D 構造にすることができます。液滴サイズと UV パターンパラメータを調整することで、硬化構造上の液体樹脂の 3 次元分布と脱濡れ力を適切に制御でき、液体樹脂の残留量を最小限に抑え、材料利用効率を向上させることができます。液滴システムの自由接触面特性により、突起部や側壁のさらなる凝固を防ぐことができます。ミセルが縮小すると、内部の液滴循環が増加し、液体樹脂、硬化樹脂、樹脂プール間の結合特性が低下します。単一の液滴から繊細な 3D 構造を効率的に構築するこの戦略は、オンデマンドの 3D 製造にとって重要な意味を持ちます。

出典: https://www.nature.com/articles/s41467-020-18518-1

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