《積層造形》微細構造フィラメント積層による機能表面の直接3Dプリント

出典: Qiyu Technology

大連理工大学機械工学部の孫錦寧教授と張磊准教授が、Additive Manufacturing誌に「微細構造フィラメントを積層した機能表面の直接3Dプリント」と題する研究論文を発表しました。

材料押し出しに基づく付加製造技術は、低コスト、高出力、良好な材料適合性などの利点があり、工業生産で広く使用されています。表面の微細構造により、3D プリント製品には防汚、耐腐食、抗力低減などの高度な機能が付与されます。しかし、積層造形フィラメントの連続押し出しプロセス中に表面微細構造を直接得ることは困難です。 3D プリント製品の微細構造表面を製造するために、さまざまな後処理および前処理戦略が開発されてきましたが、マイクロスケールの形態をオンラインで制御することができないため、多くの場合、追加の操作が必要になり、製造効率が低下します。そこで本研究では、複雑な後処理操作なしで微細構造オブジェクトを直接製造できる、FDM オンライン 3D 印刷戦略に基づく方法を提案しました。マイクロ溝印刷ノズルは、微細構造フィラメントを押し出すために使用され、印刷パラメータとノズルの内壁のマイクロ溝の形状とサイズを調整することによって、押し出されたフィラメントの表面の微細構造のサイズと形態が制御されます。 Bird-Carreau モデルは、ポリマー溶融押し出し中の微細構造の変化を説明するためにも使用され、この技術と従来の FDM 3D 印刷技術との互換性が検証されました。この技術を使用して印刷された表面は異方性の濡れ特性を持ち、異なる方向における材料の水接触角の差が大きくなります。この技術は、高度な機能製品の製造における現在の FDM 3D 印刷技術の限界を克服し、スマートマイクロ流体デバイス、多機能組織工学スキャフォールド、高性能センサーの製造に新たなアイデアを提供します。

図1 FDM印刷された微細構造表面の概略図。図2 印刷パラメータと微細溝サイズが微細構造の高さに与える影響。図3 微細溝形状が押し出しワイヤの表面微細構造に与える影響。図4 微細構造ワイヤの形態。
研究の結論 FDM 法に基づいて、機能的な微細構造表面パターン用のオンライン 3D 印刷戦略 μFDM が提案されています。表面の機能化は、追加の変更なしに 3D プリントによって直接実現されました。マイクログルーブノズルを使用することで、完全にマイクロ化された表面を持つ部品をうまく製造できます。 μFDM の独自の処理機能は、表面機能化とクロススケール処理機能が重要なヘルスケア、組織工学、その他の液滴ベースのアプリケーションに新たな展望をもたらします。 PLA フィラメントの場合、印刷温度やノズルのマイクロ溝の長さよりも、印刷速度 (最大 100 mm s) とノズルのマイクロ溝の深さがマイクロリッジの形成に重要な役割を果たします。印刷ノズル上のマイクロ溝の断面を調整することで、マイクロリッジの形状を柔軟に制御できます。押し出されたフィラメント上に三角形、長方形、台形の微細な隆起が形成されます。全体として、これらの調査結果は、表面を機能化するための多目的技術としての μFDM の可能性を強調し、幅広い材料およびノズルサイズとの互換性を実証しています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103900

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