南カリフォルニア大学小 | 異種構造を製造するハイブリッド 3D 印刷技術

出典: GK グリーンキーバイオテック

南カリフォルニア大学のヨン・チェン教授は、雑誌「Small」に「光硬化・ディスペンシングを用いたハイブリッドマルチマテリアル3Dプリンティング」と題する論文を発表し、バット光重合（VPP）プロセスと直接インク書き込み（DIW）プロセスの利点を組み合わせて、機能構造とデバイスのマルチマテリアルおよび高解像度印刷を実現する新しいハイブリッド3Dプリンティング技術を提案しました。このマルチマテリアル3Dプリンティングプロセスは、さまざまな機能と材料を通じて、幅広い潜在的な用途を切り開きます。

バット光重合法 (VPP) と直接インク書き込み法 (DIW) とは何ですか?

バット光重合 (VPP) は、SLA またはステレオリソグラフィーとも呼ばれる 3D 印刷技術です。紫外線を利用して液状の感光性樹脂を層状に固め、立体物を構築する感光性樹脂ベースの製造方法です。ダイレクトインクライティング (DIW) は、押し出し成形をベースにした 3D 印刷技術です。この技術は、せん断減粘挙動を持つ粘弾性インクをマイクロフィラメントの形で押し出し、それを層ごとに積み重ねて、一定の 3D 構造を形成します。

なぜこれら 2 つの方法を新しい印刷方法に組み合わせるのでしょうか?
蒸気光重合 (VPP) プロセスと直接インク書き込み (DIW) プロセスは、高解像度とマルチマテリアル機能という利点がありますが、どちらにも欠点があります。 VPP では、材料を変更する際に大きな課題が生じます。さらに、印刷プロセス中に、硬化層に付着した未硬化材料を洗い流し、その後洗浄した表面を乾燥させる作業には、多くの時間と材料が無駄になります。 VPP では使用できない、光硬化性ではないが機能性がある材料も多数あります。 DIW 印刷方法の大きな欠点は、機械的な動きのため印刷速度が比較的遅いことです。また、吐出された材料がノズルの先端から出るときにその形状をそのまま維持することも困難です。両者の長所と短所は互いに補完し合い、より便利で用途の広い印刷技術を形成することができます。

著者らは、ボトムアップ VPP 構成を使用して、印刷プロセス中にレーザービームが押し出された材料の軌道に妨げられることなくアクセスできるようにしました。

図 1 実験プロセスとメカニズムの概略図ハイブリッド 3D 印刷方式では、広く使用されている 2 つの積層製造 (AM) 技術を 1 つの印刷システムに統合します。このハイブリッドプリンターは、ボトムアップ VPP プリンターと 3 軸 DIW プリンターで構成されています。ノズル先端は光硬化性樹脂が入ったマトリックス材料容器内に埋め込まれ、マトリックス材料内部に機能性材料を吐出します。同時に、材料トラフの下に UV レーザースキャンシステムが設置されます。ガルバノミラーによって誘導されたレーザービームは、材料溝の底面の画像パターンを動的にスキャンします。各層では、ノズル先端が材料を排出すると同時に、レーザーがノズル先端のツールパスの後ろをトラッキングして、排出されたばかりの光硬化性材料を光硬化するか、光硬化性でない材料を所定の位置に固定します。非光硬化性材料をマトリックス材料に固定します。マトリックス材料が周囲の領域で光硬化された後、吐出された材料は液体材料またはマトリックス材料のベースフィルムに付着します。次に、ビルドプラットフォームは、現在割り当てられているレイヤーの上の位置に切り替わり、ビルドされたレイヤーと材料レイヤーのベースサーフェスの間にレイヤーの厚さのギャップを形成する位置まで下がります。マスク投影画像またはスキャンレーザーを使用して現在のビルド層を露光した後、DIW および VPP 材料を含む現在の層は、以前に構築された層と結合し、ベースフィルムから分離します。このプロセスは、3 次元部品のすべての層が完成するまで、層ごとに繰り返されます。

図2 空気中に分散した微量元素とマトリックス材料間の拡散効果に関する研究著者の測定結果は、光硬化エッジディスペンシングプロセス中の拡散効果を明らかにしています。まず、空気中で塗布する場合、塗布された材料のトレースの幅は長時間（240 秒以上）安定しますが、対照的に、マトリックス材料に材料を塗布した後は、2 つの液体材料間の拡散により、塗布されたトレースの幅が時間の経過とともに徐々に増加します。第二に、空気圧が増加すると、空気とマトリックス材料の両方に分布するトレースの幅がそれに応じて増加します。 3 番目に、同じ空気圧が適用された場合、空気中に吐出される材料のトレース幅は、マトリックス材料に吐出されるトレース幅の約 3 倍になります。したがって、光硬化の同時ディスペンス戦略は、従来の DIW プロセスよりも高い幅解像度と空気中のより大きな Z 厚さで、コマンドどおりの材料堆積を実現できます。

図3 多重露光方式により、層間の接着性が確保されます。印刷プロセス中にレーザースキャンとディスペンシングによって押し出された材料に接触するため、CADモデルの各層を印刷する際にはボトムアップアプローチが採用されています。現在の層に吐出された材料がすべてベースフィルムの表面に固定された後、印刷された層は以前に構築された層に転写されます。多層印刷工程がスムーズに進むように、各層の製造には次の 2 つの重要な要件があります。(1) ノズル先端から吐出された材料がベースフィルム上に固定され、前の層が構築された印刷プラットフォームが下降して現在の層に近づいたときに現在の層が動かないこと。(2) 現在の層が以前に固まった層としっかりと結合して、層ベースの印刷工程を継続すること。本論文では、2 つのケースを個別に考慮して、上記の要件を満たす多重露光法を提案します。（１）DIW材料がベース材料と同様の光硬化活性を有する場合、二重露光機構を使用して、現在塗布されている層をベースフィルムから以前に硬化した層に転写する。まず、レーザースキャンシステムに低電力入力が提供され、その間にフィルム表面の接着剤ドットマークが光硬化されてゲルのような状態になります。次に、印刷プラットフォームが現在のレイヤーの位置まで下に移動します。 2 回目の露光は、比較的高いエネルギー入力を使用して実行され、現在のゲル層が完全に硬化して、以前に硬化した層にしっかりと接着します。現在の層と前の層の間の化学結合力は、従来のボトムアップ VPP プロセスと同様に、現在の層と基板フィルム表面の間の接着力よりも強力です。したがって、印刷プラットフォームは上方に移動し、現在の層を基底膜から分離することができます。（２）DIW基板が導電性インク、液体金属、磁性材料などの非光硬化性の場合、三重露光機構が使用される。要約すると、上記の多重露光法を使用することで、光硬化性材料と非光硬化性材料の両方を高精度かつ複数の材料で印刷することができます。

図 4 3D プリントされたマルチマテリアルクリスタルアリ開発されたハイブリッド 3D プリントプロセスが、材料汚染のないマルチマテリアルオブジェクトを作成するのに有効であることを示すために、著者らは透明な直方体に囲まれた 3D アリをプリントしました。 3D デジタルモデルを厚さ 100 μm の複数の 2D レイヤーにカットし、各レイヤーを G コードツールパスに変換しました。準備作業が完了したら、印刷プロセスを開始し、ディスペンシングニードルを透明マトリックス材料の容器に挿入し、ディスペンシングニードルと底面の間に 1 層の厚さの隙間があることを確認します。事前定義された G コードツールパスを使用して、基板表面に 2D スライスレイヤーを描画します。光硬化とディスペンシングを同時に行う 3D 印刷プロセスでは、現在の層の上面が非常に平坦であるため、現在の層と前のビルド層の間に少量のマトリックス材料が残ることがあります。押し出された材料がディスペンサーのノズルの先端から何の制約もなく流れ出ると、円筒形を形成します。複数の円筒状の線が重なり合って、上面に凹凸のある平面が形成されます。ただし、先に固化した層の底面は材料スロット内のベースフィルムと接触しており、同じ表面品質を持っています。したがって、新しく固化した層の底面は平坦であり、基板表面によって決定されます。以前のビルド層と現在の層の間に挟まれた液体マトリックス材料は、2 回目の露光中に現在の層を以前のビルド層にしっかりと接着する接着剤としても機能します。著者らは、繊細な構造を保護し、その吊り下げ構造を支えるために、3Dアリの各層の周囲に正方形のマトリックス材料を固めました。多層製造プロセスでは、対象材料のディスペンシングと光硬化を繰り返し切り替え、その後 2 回目の露光を行って現在の層を以前に構築した層に転写します。

図 5 異なる機能を持つ 3D プリントされたマルチマテリアル部品著者らは、構築した実験セットアップを使用して、硬質材料と軟質材料の割合が異なる引張ロッドを作成し、設計された充填パターンを使用して 3D プリントされたマルチマテリアルの剛性を調整しました。設計されたストレッチロッドは、0% から 100% までの異なる充填率を持つインターレースパターンを使用して印刷されました。軟質材料内部に埋め込まれた剛性織り込み構造により、固化後の軟質材料の強度が向上することが期待されます。設計されたマルチマテリアル複合材料の剛性は、DIW 堆積ハード材料と VPP 光硬化ソフト材料の比率を調整することで調整できます。引張棒の相対ひずみは、剛性材料の体積率と非線形に関係しています。剛性材料の体積率が 75% 増加すると、相対ひずみは半分に減少します。不均一な材料分布が異なると機械的特性も異なるため、新しい材料特性を設計して材料ライブラリに追加することができます。異なる異種材料を使用してマルチマテリアル部品を作成する能力を実証するために、著者らは、さまざまな領域で異なる剛性を持つ材料を使用してホイールを 3D プリントしました。半透明の材料 (タイヤに割り当てられた柔らかい材料) は、第 2 露光段階でレーザー G コードツールパスによって誘導されたスキャンレーザーによって硬化されたベース材料でした。

著者らは、3D プリントされたホイールの圧縮テストを実施しました。柔らかい素材のタイヤは圧縮により大きく変形しましたが、硬いリム構造は変形が少なく、形状を維持しました。最後に、著者らは、2 種類の光硬化性樹脂 (ソフトとハード) と非光硬化性導電性材料を使用したハイブリッド 3D 印刷プロセスをテストし、柔軟なセンサーを備えたウェアラブルデバイスを作成しました。著者らは、抵抗型ひずみセンサーと静電容量型タッチセンサーという 2 つの一般的なフレキシブルセンサーを設計しました。 3D プリントされた抵抗ひずみセンサーを指の関節に取り付けて、曲げ角度を測定します。静電容量センサーは、人間とコンピューターのインタラクションの応答ボタンとして手の甲に取り付けられます。両方のセンサーには 3 つの材料が使用されています。

概要: この研究では、オンデマンド堆積 DIW プロセスとレーザー硬化ベースの VPP プロセスを組み合わせて、マルチマテリアル 3D 印刷を実現する新しいハイブリッド 3D 印刷プロセスを報告します。異種構造の製造における両方の付加製造プロセスの限界を克服します。 VPP ベースの 3D 印刷では、樹脂タンクの切り替えや材料汚染の問題により、マルチマテリアル印刷に制限があります。一方、DIW ベースの 3D 印刷プロセスは、ノズルの先端から材料が吐出される速度が遅すぎることと、材料の流動性により分散形状を維持するのが困難であることから困難です。著者らが開発したハイブリッド 3D 印刷プロセスは、光硬化とディスペンシング戦略を採用することでこれらの制限に対処し、さまざまな材料を使用して複雑な形状と微細な特徴を持つ異種構造を構築できる多用途の 3D 印刷プロセスを実現します。このハイブリッドプロセスの解像度は、ノズルベースの DIW プロセスによって大きく制限されます。実施された拡散テストでは、従来の空気ディスペンス法に比べて液体樹脂ベースの材料ディスペンス法の独自の性能と利点が実証され、同じ印刷パラメータを使用してより高い DIW 解像度が達成されました。また、ツールパス計画で定義されたディスペンシングノズルの先端とスキャンレーザーポイント間の安全距離により、ノズル先端の詰まりの問題を回避できることも示しています。マルチ露光メカニズムを検証し、このマルチマテリアル 3D 印刷プロセスを使用して実現可能な機能を実証するために、いくつかのテストケースが設計、製造、テストされました。要約すると、マルチマテリアル 3D 印刷プロセスは、より複雑で洗練された構造、さらにはバイオメディカルやその他の分野で使用するための統合デバイスを製造するために使用できます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1002/smll.202302405

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