ソウル国立大学は、精密な材料構成と分布制御を実現する新しいマルチマテリアルFDM 3Dプリント技術を開発しました。

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-5-31 11:39 に最後に編集されました

2024年5月31日、アンタークティックベアは、ソウル国立大学の研究者が、特定の勾配材料特性を持つ部品を製造できるFDM 3Dプリント技術の新しい2段階プロセスを開発したことを知りました。この新しいプロセスにより、性能に大きな違いがある部品が生産されます。たとえば、機械的強度、導電性、色を、従来の FDM 3D プリントでは不可能な方法で組み合わせることができます。

△ DMフィラメントを用いたb-FDM 3Dプリントの模式図
技術研究開発の背景

通常、ユーザーは FDM 3D プリントで材料構成を正確に空間的に制御することはできません。これは、FDM ノズルが一度に押し出せるフィラメントが 1 つだけであるためです。

この課題を克服するために、研究チームは異なるベース材料を層ごとに堆積させることで「デジタル材料」（DM）を3Dプリントしました。このフィラメントが押し出されると、材料はノズルを通過する際に均一に混合され、最終部品に望ましい機能材料の勾配が作成されます。

△この研究は「3Dプリントされたデジタル材料フィラメントによる機能的勾配プログラミングの実現」というタイトルでNature Communications誌に掲載されました（ポータル）
ハイブリッド FDM (b-FDM) と呼ばれるこの新しい方法は、標準的な FDM 3D プリンターとフィラメントを使用して実現でき、機能傾斜材料 (FGM) を低コストで簡単に製造する方法を提供します。

研究者によると、「b-FDMをサポートする材料勾配プログラミングにより、シームレスなマルチマテリアル3Dプリントが可能になり、機械的に目に見えない材料インターフェースを通じて異なる材料間の強力な結合を促進できます。」

彼らは、このプロセスは「さまざまな工学的応用におけるFGMの可能性を完全に実現するための新しい方法を提供する」と付け加えた。

調整可能で多機能な特性を持つb-FDM印刷デジタル材料
b-FDM を使用したハイブリッド材料の 3D プリント

研究者らは新しいb-FDM法を使用して、異なる特性を持つ複数の材料を単一のフィラメントに3Dプリントし、材料の組成と分布を正確に制御できるようにしました。

フィラメントは 125 ミクロンの層厚で 3D プリントされており、押し出された材料の 14 層で構成されています。各層は 2 ～ 4 本の 3D プリントラインまたは押し出しで構成され、幅は 440 ミクロンです。 3D プリントのプロセス全体を通じて、原材料は手作業で交換され、さまざまな色、強度、伸縮性、導電性の特性を最終的なフィラメントに組み込みます。

ソウル国立大学のチームによると、市販されているあらゆる FDM 3D プリンターと材料を使用して DM フィラメントを製造できるという。 3D プリント直径は 1.75 mm で、すべての FDM システムと互換性があります。

この研究では、3D プリンターメーカー Prusa Research の Original Prusa i3 MK3S を使用して DM フィラメントを 3D プリントしました。この FDM 3D プリンターには、直径 0.4 mm のノズルと直径 1.75 mm の原材料入口が装備されています。 3D プリントベッドを 70°C に加熱し、ノズル温度を 220°C と 240°C の間で切り替えることで、良好な接着が実現しました。

次に、DM フィラメントを i3 MK3S を使用していくつかのテスト部品に 3D プリントしました。ここでは、十分な材料供給を確保するために、ノズルの最高温度を 240°C に設定しました。

△多素材・多機能折り紙グリッパーの模式図
勾配材料特性を持つ3Dプリント部品

研究者らはまず、導電性ポリ乳酸（CPLA）と柔らかく伸縮性のある熱可塑性ポリウレタン（TPU）を組み合わせてこれをテストした。 CPLA は、カーボンブラック (CB) ナノ粒子の存在により導電性を持つ、硬くて脆い材料です。

b-FDM 法を使用して 2 つの材料を組み合わせることで、チームは柔軟性と導電性を兼ね備えた部品を 3D プリントすることに成功しました。さまざまな材料配合をテストした結果、ひずみ率は 168 パーセント増加し、69 パーセントという高いひずみでも導電性を維持できました。このような DM フィラメントの潜在的な用途としては、伸縮性センシングアプリケーションやウェアラブル電子デバイスなどが挙げられます。

研究チームはまた、b-FDM により 3D プリント部品にさまざまな色のグラデーションを生成できることも強調しました。したがって、DM フィラメントは、必要な標準フィラメントのほんの一部の量で、さまざまな色の多くのオブジェクトを生産するための費用対効果の高いソリューションを提供します。この研究では、4 つのベース材料で構成された単一の DM フィラメントを使用して、36 種類の異なる色のオブジェクトを 3D プリントしました。

b-FDM アプローチの価値を実証するために、研究者らは多用途で折りたたみ可能な折り紙グリッパーも 3D プリントしました。アセンブリには、剛性ファセット、ソフトヒンジ、曲げセンサーや触覚センサーなどの統合電子機器が含まれています。デバイス全体は、単一の DM フィラメントを使用して、1 回の 3D 印刷操作で製造されました。

b-FDM 3D プリントされた折り紙グリッパーは、折り目に沿って明確な折り目を示し、機械的な故障なしに物体をうまく掴むことができました。対照的に、従来の FDM 3D プリント折り紙グリッパーは、折りたたむと深刻な層間剥離が発生します。

研究者によると、これらの結果は、材料の勾配設計を通じてさまざまな望ましい機能をエンジニアリングシステムに効果的に組み込む b-FDM 印刷の能力を強調しています。将来的には、b-FDM 方式が既存の市販の FDM 3D プリンターを強力に補完するものになると彼らは考えています。このプロセスにより、3D プリント技術の発展がより広く促進されることが期待されます。

ソウル国立大学は、精密な材料構成と分布制御を実現する新しいマルチマテリアルFDM 3Dプリント技術を開発しました。

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