先端材料技術: 体積 3D プリント用の新しい樹脂の開発

2024年4月、Antarctic Bearは、Nathaniel Corrigan、Xichuan Li、Jin Zhang、Cyrille BoyerがAdvanced Materials Technologiesに「従来のRAFTを超えて：制御された重合のためのチオカルボニルチオ化合物の代替活性化」と題したxolographyボリューム3Dプリンティングの最新の進歩を発表したことを知りました。ボイヤー研究所の高度ポリマー設計クラスターとニューサウスウェールズ大学化学工学部の研究者らがカリフォルニア大学サンディエゴ校と共同で実施したこの研究では、ホログラフィーを大幅に進歩させる可能性のある新しい樹脂の配合とパラメータが示唆されている。

単一ステップの無補助積層造形法である xolography は、他の積層造形技術では実現できない形状の材料を迅速に製造できます。これまでのシステムでは、材料を効果的に形成するためには透明度の高い樹脂が必要であり、複数の材料の形成は実証されていませんでした。

● 研究者らは可逆的不活性化フリーラジカル重合を利用して樹脂の組成、粘度、処理パラメータを調査し、可視光媒介ホログラフィーに使用できる新しい樹脂を開発しました。

●チオカルボニル硫化物を含む不透明樹脂は、ホログラフィー用に最適化されており、幾何学的に複雑で物質のない形態を生み出します。

●得られた 3D プリントポリマーネットワーク材料は、埋め込まれたチオカルボニルチオ部分を介して機能化することができ、それによって印刷された材料に新しい機能を付与します。

●最後に、Xolography 独自の 3D 印刷機能により、高度な 3D 空間制御により化学的に異なるドメインを持つ幅広い材料の製造が可能になることが実証されました。

この2段階オーバープリント法は操作が簡単で、3Dプリントによるポリマーマルチマテリアル製造の新しい方法を提供します。

研究内容 3D 印刷の一種であるボリューム 3D 印刷では、複雑なマルチマテリアルオブジェクトを高速かつ正確に作成できます。研究チームは、可逆的付加開裂連鎖移動（RAFT）ラジカル重合中にチオカルボニルチオ基を利用する新しいアプローチを採用することで、印刷された物体の特性を強化しただけでなく、製造プロセスの制御と精度も向上させました。この研究は産業用途の新たな道を切り開く可能性があり、3D 印刷技術の開発における重要な前進となるでしょう。

Xolography は、スタートアップ企業 Xolo が開発したボリューム 3D プリント方式です。チームは RAFT プロセスを通じて、Xolography の制御された重合を実現しました。 Xolography では、モノマータンク内で交差する複数の異なる波長の光線を使用します。投影された光源とダイオードレーザーベースの光源が同時に存在する場合にのみ、デュアルカラー光開始剤 (DCPI) がアクティブになり、重合プロセスを正確に制御できます。

△ ホログラフィー3Dプリントによる自由正方格子構造

モノマータンク内の特定のポイントで、光開始剤が重合反応を引き起こし、シャープで精巧な細部まで精巧に作られたオブジェクトを素早く作成できます。 Xolography の利点としては、調整可能で、サポートなしでオブジェクトを作成できるため、コストと時間を節約できることが挙げられます。研究チームが研究したもう一つの重要な利点は、単一の容器内で複数の材料を使用して連続的に印刷できることです。

△ チオカルボニルチオ基を含む3Dプリント材料を改質するチオール-マイケル付加反応

研究チームは、特に（ポリ）ビニルモノマーに重点を置いて、Xolography に適した樹脂の開発に取り組みました。この研究では、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジアクリレート（BDDA）などの樹脂とジウレタンジメタクリレート（DUDMA）などの他の材料を使用して、200μmの角柱格子構造を作成することに成功しました。その後、チオール-マイケル付加反応を利用して、印刷後に物体を暗闇で光らせることに成功し、産業上大きな意義を持つようになりました。

チームはさらに、2 種類の異なる樹脂を使用して印刷することで、マルチマテリアル構造の作成を検討しました。当初、彼らはRAFT剤としてジウレタンジメタクリレート（DUDMA）とBTPA（（Z）-2-（2-tert-ブトキシカルボニルアミノチアゾール-4-イル）-2-ペンテン酸）を含む樹脂を使用しました。その後、チオール-マイケル反応を使用して修飾が行われました。この変更後、ペンタエリスリトールテトラアクリレート (PETA)、暗硬化光開始剤 (DCPI)、およびトリエチルアミン (TEA) を含む新しい樹脂が最初の樹脂の上に印刷されました。 PETA に関連する皮膚毒性、呼吸器や眼への刺激の可能性などのリスクにもかかわらず、このプロセスにより、複数の材料を使用したオブジェクトがうまく生成されました。

△ホログラフィーオーバープリントによる構造化葉複合材料の作製

この方法では、手作業による後処理が少なくて済み、マルチマテリアル部品により、マイクロ流体部品や工業製造部品などの新しいタイプの部品が実現できます。ただし、ボリューム 3D プリントにもいくつかの制限があります。たとえば、これらのプリンターの部品サイズには制限があり、材料コストは工業製造用途には高すぎます。さらに、低コストの SLA および DLP システム、Quantica のインクジェットプロセスなど、他の 3D 印刷技術も非常に競争力があります。しかし、体積 3D プリンティングが積層造形分野における重要な技術的進歩であることは否定できません。

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