Nature Communications: フロリダ大学の研究者が、シンプルで経済的な蒸気誘起相分離 3D プリントを提案!

2024年4月、アンタークティックベアは、フロリダ大学のエンジニアが、単一材料および複数材料のオブジェクトを作成できる蒸気誘起相分離3Dプリント（VIPS-3DP）と呼ばれる製造方法を開発したことを知りました。フロリダ大学機械航空工学部の教授であるヨン・ファン博士は、この方法はコスト効率が高いだけでなく持続可能で、メーカーにシンプルで経済的なソリューションを提供すると説明した。この研究は、「蒸気誘起相分離による多用途直接インク書き込み」というタイトルで、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載されました。

VIPS-3DPの詳細な動作原理:

△VIPS-3DPプロセス図

●インク選択：VIPS-3DPは、金属またはセラミック粒子を含むポリマーベースの液体を「インク」として使用します。
●蒸気誘起相分離プロセス：このインクを使用して印刷すると、非溶媒蒸気が印刷領域に放出され、インクの液体成分が凝固して固体材料を形成します。
●低揮発性溶剤：VIPS-3DP に溶解したポリマーインクは、霧状の非溶剤の存在下で堆積されます。低揮発性溶媒は非溶媒との化学親和性が強いため、低揮発性溶媒は制御された方法でフィラメントから抽出されます。
●環境保護と持続可能性：溶剤の揮発性が低いため、印刷後にリサイクルすることができ、環境への影響を最小限に抑えます。

△フロリダ大学機械航空宇宙工学教授ヨン・ファン博士

VIPS-3DP の印刷速度はインクの硬化速度によって決まりますが、インクの硬化速度は非溶媒蒸気の拡散速度、相分離プロセス中のポリマー剥離速度、非溶媒濃度 (この場合は相対濃度) などの要因によって影響を受けます。湿度とポリマー濃度。同様に、印刷解像度は、特定のポリマーインクで使用可能な最小ノズルサイズによって制限されます。 VIPS-3DP プロセスを使用して作成されたポリマー部品の印刷後の変化は、凝固の相分離メカニズムによって発生するため、設計段階で考慮することが重要です。

まず、研究者らはポリマー印刷に VIPS-3DP を使用する方法を実証し、複雑な構造を作成できる能力を強調しました。
● その後、VIPS-3DPを使用してポリマーベースの金属インクと複合粉末を充填したポリマーインクを堆積させ、熱サイクルを適用した後に金属部品や複合材料に変換することができます。 ●さらに、VIPS-3D印刷法は、印刷経路を制御し、フィラメント内ポロゲンとして無機スペースホルダーを採用することにより、多孔質構造および機能的に傾斜したコンポーネントの製造に有益です。

ヨン・ファン博士は、VIPS-3DPプロセスにより、メーカーは多孔度の異なる複数の材料からなる部品を3Dプリントできるようになり、異なる物質とさまざまな程度の小さな穴や隙間を持つ構造を作ることができると説明しました。印刷条件とプロセスで使用される犠牲材料の量を調整することで物体の多孔性を調整することは、多孔質の医療用インプラントや軽量の航空宇宙製品の製造に有利になる可能性があります。

同研究室の博士課程の学生で論文の筆頭著者であるマーク・ソール・グラス氏は、この手法は多孔度の異なる金属製品の製造に特に有望だと付け加えた。例えば、骨組織工学において、人間の細胞とうまく融合するインプラントを印刷するために使用できます。 VIPS-3DP プロセスは、持続可能な材料を使用し、消費エネルギーを削減することで、従来の印刷方法に比べて製造と持続可能性の両方の利点を提供します。

△ABS樹脂をベースとした印刷結果

概要<br /> この研究では、霧状の非溶剤を利用して硬化を実現し、使用した溶剤を再利用することでプロセス効率を向上させることで、ポリマー部品の印刷に VIPS-3DP プロセスの有効性を実証しました。この凝固メカニズムは、ポリマーコロイドインクを使用した複合部品の印刷にも適用でき、ポリマー金属およびポリマーセラミック製品の製造が可能になります。

しかし、VIPS コンセプトは、セラミックおよび金属粒子に基づく懸濁液の凝固と結合に必要であり、熱サイクルを導入してポリマーを除去し、固体焼結を誘発することで、純金属、セラミック、複合部品を製造することができます。さらに、VIPS-3DP プロセスでは、ミキサーを使用してフィラメント間とフィラメント内の多孔性を組み合わせることで、異なる多孔性レベルの部品を作成できます。これらのコンポーネントは、マルチスケール多孔性骨インプラントなどの分野で応用される可能性があります。

VIPS-3DP は、加熱や特定の硬化メカニズムの調整を必要とせずにエンジニアリングポリマーを印刷する代替方法を提供し、ポリマーをバインダー材料として使用して異種複合構造を作成することもできます。しかし、相分離プロセスにより、結果として得られる微細構造は多孔質になり、特定の用途には有利となる場合があります。耐荷重特性を必要とする用途では、犠牲テンプレート添加剤を使用した印刷プロセスが細孔サイズにどのように影響するか、または細孔サイズを制御するかを理解するために、さらなる研究が必要です。

△ステンレス鋼316L部品のVIPS-3DPプロセスの説明

この研究は2件の特許につながり、国立科学財団やエネルギー省などの連邦政府機関から資金提供を受けた。
オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47452-9

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