研究者らがインクジェット3Dプリント材料の特性を制御する新しい方法を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-1-29 16:59 に最後に編集されました

2024 年 1 月 29 日、Antarctic Bear は、コロラド大学ボルダー校の研究者が最近、材料特性を決定するために設計された革新的なインクジェット付加製造プロセスを開始したことを知りました。共著者のロバート・マッカーディ氏とローレンス・スミス氏が「プロパティ・パントン」と名付けたこの研究では、マルチマテリアルインクジェット3Dプリントが、異なる樹脂材料を組み合わせることで、どのように特定の材料特性を作り出すことができるかを詳しく説明しています。

△実験結果、色は流体の体積分率を示します。これらの複合材料は、生体材料と同様の弾性率-靭性空間の領域を占めている。
異なる原色を混ぜて特定の色を作成できるのと同様に、これらの研究結果は、3 つの「主要な」材料を混ぜることで、再現可能な 3D 印刷材料特性を実現する方法を概説しています。これらの材料には、軟質エラストマー、硬質プラスチック、液体成分が含まれます。

この研究のために、研究者らはカスタムソフトウェアを使用して、数百のデジタル合成サンプルを設計しました。 3D プリントが完了した後、サンプルはテストされ、機械的特性が評価されました。次に、複合材料の組成と機械的特性を比較する解析プロットを作成することで、いわゆる「逆材料設計」を実現しました。

このプロセスは、従来の材料選択方法を覆すものです。通常、エンジニアは、望ましい材料特性を持つ適切な材料を探し、それを設計します。代わりに、新しいアプローチでは、まず部品に必要な材料特性を指定してから 3D プリントすることができます。

△この研究は、「付加製造によるデジタル多相複合材料」というタイトルでAdvanced Materials誌に掲載されました（ポータル）
研究者らは、この研究は機械的特性の異なる3種類のインクジェット材料から作られたデジタル材料複合材料の特性を特徴づけた初めての研究であると主張している。これまでの研究では2つの材料の複合材料のみを評価していたため、「機械的なリアリティが欠けていた」という。

このプロセスの潜在的な応用範囲は広大です。研究者らは、合成生物組織の 3D プリントは、機構的に妥当な潜在的な使用事例の点で重要な意味を持つことを強調しています。逆材料設計アプローチにより、ユーザーは、望ましい生物学的組織を正確に模倣する剛性と靭性の組み合わせを備えた材料を設計し、3D プリントすることができます。

△指定剛性の試験サンプル
3D プリント材料特性の Pantone カラーチャート

マルチマテリアルインクジェット 3D プリンターはフォトポリマー樹脂の液滴を噴射し、それを UV 光源で硬化させて 3D オブジェクトを形成します。

3D プリンターメーカー Stratasys の Agilus および Vero インクジェット 3D プリント樹脂は、硬化後の特性が異なります。 Agilus は強靭でありながら柔軟なエラストマー材料となり、Vero は硬質プラスチックを形成します。 2 つの材料を異なる割合で組み合わせることで、異なる特性を持つ複合材料を形成できます。ただし、これらの組み合わせによるパフォーマンスの可能性は限られています。

材料特性の自由度を高めるために、コロラド大学の研究者は複合材設計プロセスに第 3 の液体材料を追加しました。研究中、110 種類の独自の複合製剤に対して 188 件のテストが実施されました。

研究者らは、3Dプリント部品を用いた実験観察と検証を通じて、3つの基板を組み合わせることで、弾性や靭性などの機械的特性を独立して決定できることを示した。

パンチテストを使用して機械的テストを実施しました。 3D プリントされた試験片は、「パンチ領域」を通って下げられたステンレス鋼のピンにさらされました。その後、研究チームはサンプルの押し込み距離と力を記録し、材料が破損した時点でテストを終了しました。テスト結果では、弾性係数と靭性特性が分離されており、3D 印刷プロセス中に個別に指定できることが強調されています。さらに重要なことに、この研究では、このアプローチを使用すると、任意の 2 つの材料特性を切り離すことができるという結論が出されました。これは、複合設計プロセス中に 3 番目の液体ベースの材料を追加することで実現されます。

△インクジェット複合材料の多相成分の分布を構築することで、4桁の弾性率値を達成できます。この硬度の範囲は、さまざまな生物組織をカバーします。研究者らは、特定の特性を持つ 3D プリントされたオブジェクトの逆設計も実証しました。これは、微視的スケールの複合材料コンポーネントと巨視的材料特性との間のマッピングを作成することによって実現されます。

研究者らは、分析モデルと数式を通じてこれらのマップを使用し、エラストマー、硬質材料、液体樹脂を組み合わせたさまざまなインクジェット複合材料の機械的特性を正確に推定することに成功しました。

最終的に、研究者たちはこれらの発見が医療への応用に大きな可能性を秘めていると考えています。

現在の方法を使用すると、研究者は生物組織を反映する正確な材料特性を得るのに苦労してきました。研究チームによれば、この研究の結果、材料の剛性と靭性を同時に、また独立して変化させることが可能になったという。これにより、研究者、設計者、医療従事者は、リアルで機械的に説得力のある合成生物組織を 3D プリントできるようになります。

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