破断伸びはなんと450%！ソフトロボット用多孔質構造の重合性ラテックス 3D プリント

出典: EngineeringForLife

3 次元 (3D) 印刷は、通常は層ごとにプロセスを経て 3 次元のオブジェクトを作成する技術であり、多くの分野で応用されています。この研究では、イスラエルのエルサレム大学のシュロモ・マグダッシ氏とイタリア工科大学のルチア・ベッカイ氏が共同で、油中水型（W/O）エマルジョンを使用して伸縮性多孔質材料を調製し、印刷可能な伸縮性材料に内部多孔性を与え、伸縮性を維持しながら圧縮可能にする詳細な材料指向研究を提案しました。ステレオリソグラフィーベースの印刷組成物は、水滴が細孔形成材料であり、連続相が伸縮性ポリウレタンジアクリレート（PUA）であるW/Oエマルジョンです。印刷された物体の多孔性は、材料の微細多孔性と細胞設計によって得られるマクロ多孔性によって制御されます。機械的動作により、エマルジョンの組成に応じてコンプライアンスと強度を実現できる一方、独自の最適化方法を使用してインクを 3D プリンターにマウントします。このアプローチにより、優れた機械的特性を持つ材料を開発することができ、3D プリントされた多孔質構造は最大 450% の破断伸びを実現します。エマルジョン印刷組成物は、独自の作動特性を持つソフトロボットグリッパーを製造するために使用されます。

関連研究内容は、2023年8月15日に「ソフトロボティクスのための重合性エマルジョンによる伸縮性および圧縮性多孔質構造の3Dプリント」というタイトルでMaterials Horizonsに掲載されました。

図 1 材料開発と 3D プリント印刷によって 3D 多孔質構造を準備する全体的なプロセスを図 1 に示します。 1 つ目は、連続相が重合可能な成分で、水滴が可変の割合で含まれる安定した W/O エマルジョンを調製することです。さらに、局所的な光重合をベースにしたデジタル光処理 (DLP) 3D プリントがあり、水滴が埋め込まれた伸縮性のあるポリウレタンを生成します。印刷後、水滴は蒸発によって構造から除去され、微細な孔を含む物体、つまり複雑な構造に埋め込まれた 3D フォームが生成されます。
図 2 エマルジョンの特性と性質エマルジョンの液滴を特性評価するために、液体エマルジョンを光学顕微鏡で観察し、水分蒸発後の重合エマルジョンを走査型電子顕微鏡で観察して細孔特性を評価しました (それぞれ図 2A と 2B を参照)。測定された細孔/液滴サイズの関数としてカーネル密度推定（KDE）を使用して細孔/液滴密度分率をとると、水分蒸発前の平均細孔サイズは3μmであったのに対し、水分蒸発前のエマルジョン液滴サイズは6μmであった（図2C、D）。すべての水が完全に蒸発したかどうかを確認するために、1) 処理後の重量減少と密度の測定、2) 処理前後の ATR-FTIR (加熱による水分蒸発)、3) 視覚的な水分インジケーター (図 2D) の 3 つの方法が使用されました。全体として、処理後のエマルジョンの重量損失は 25 %wt で、測定された密度は 1.099 g/cm3 であり、これは乳化されていない PUA の密度よりも 18% 低かった。水の蒸発は、ATR-FTIR による 3380 cm-1 の OH ピークの存在を測定することによって評価しました (図 2D の青とオレンジの線)。

図 3 異なる水濃度での印刷可能なエマルジョンの特性図 3A は、水または水タイプのエマルジョンの範囲と、不安定性指数と水の割合の関係を示しています。水濃度が増加すると、エマルジョンの不安定性は 25%wt まで増加し、その後、エマルジョンは 50%wt の水で O/W エマルジョン状態になるまでより安定します。水分含有量が 45% を超えると、エマルジョンの粘度が高すぎて DLP 印刷ができなくなるため、印刷実験は水分含有量 35% でのみ実行されました。この結果に基づいて、異なる水濃度（0～35%wt）を含む印刷可能なエマルジョンを、引張試験および圧縮試験を使用して特性評価しました。結果は、異なる水成分を含むPUAエマルジョンと比較して、0%wt水（PUAエマルジョンなし）の破断時の引張応力が大幅に減少したことを示しました。水の割合が0から10%wtに変化すると、破壊応力は減少しました。エマルジョン中の水の割合が10%wtから35%wtに増加すると、破壊応力は中程度に減少しました。すべてのエマルジョンの破断時の引張ひずみは約450%のままで、PUA自体（エマルジョンなし）のそれと同様でした（図3B、C）。結論として、水分含有量を増やすことで、材料の体積変化を制御するために必要な圧力が少なくなり、このアプローチにより高いコンプライアンスと変形性が保証されます。

図4 3D-DLP印刷エマルジョンの最適化最小印刷ピクセルサイズ62μmから500μmまで、異なる幅の3D印刷ピラーの印刷性能を評価しました。幅300μm未満では、材料の機械的特性が不安定になり、ピラーが破れたり（150μm未満）、曲がったり（200〜300μm）しました（図4A、B）。したがって、解像度を評価するために、350 μm の柱幅が選択されました。 350 μm の柱の寸法は、異なる露光時間で実際の幅を測定することにより、元の STL ファイル (白い枠でマーク) の寸法と比較されました (図 4C-E)。露光時間が短い場合、測定された寸法は投影された STL ファイルよりも小さくなり、未硬化の柱が生成されます (図 4C)。これは、重合が完了していないことを意味します。過剰照射した場合、柱の実際のサイズは STL ファイルよりも大幅に大きくなり (図 4E)、過剰硬化が発生したことを意味します。図 4F は、上記の 4 つのエマルジョンの露光時間の関数をより詳細に示しています。添加剤を含まない配合の場合、印刷された柱は、露光時間に関係なく、解像度 1.2 で過剰硬化されました。この低い解像度は、HyQ と SolB を含む配合によって大幅に改善され、1.2 ～ 1.4 秒の露光時間で高解像度の印刷と正確な位置決めを実現しました。

図 5 最先端技術とソフトロボティクスのデモンストレーション図 6 最先端技術とソフトロボティクスのデモンストレーション複雑な構造を持つ物体は、4 × 2 の配列で配置された 6 つの六角形と 4 つの正方形からなる単位セルで構成されています (図 5A、B)。ほとんどの多孔質物体は紫外線硬化できない材料で作られているため、その製造方法は低解像度の押し出しベースの 3D 印刷 (DIW、FFF) または粉末印刷 (バインダージェッティング (BJ) および選択的レーザー溶融 (SLM)) に限定されています (図 5C)。私たちの方法は、破断時の伸びが非常に高い、ステレオリソグラフィーベースの 3D プリントされた伸縮性多孔質物体を初めて実現しました。

開発された材料の潜在的な能力を実証するために、独自のソフトアクチュエータが設計されました。このバルブ型アクチュエータ (VLA) の目的は、主に放射状のチャンバーと内膜に取り付けられた弾性格子層で構成される、エマルジョンインクのみで構成されたモノリシック構造を実現することです。VLA は、コンプライアンスと物体との安全な相互作用を確保しながら、正圧下で内壁を拡張できます (図 6A、B)。大気圧下では、VLA のグリップ面積は約 150 mm2 (直径 14 mm) で、10 kPa で完全に閉じることができます (図 6C)。モザイク構造と最適化されたサイズにより、VLA は 23G 針 (直径わずか 0.64 mm) などの小さな物体をつかむことができます (図 6D)。その積載量は自重の 12 倍で、VLA の重量はわずか 30 g ですが、最大 350 g まで持ち上げることができます (図 6E)。

要約すると、本研究では、UV 硬化型油中水エマルジョンの DLP 印刷に基づいて変形可能な多孔質構造を作製する新しい方法を提案し、ソフトロボティクスの分野でのその高い応用可能性を実証しました。このエマルジョンにより、材料の分散相分率を変えるだけで調整可能な機械的特性を持つ、伸縮性と圧縮性に優れた多孔質構造の製造が可能になります。この研究は、これらの新しい組み合わせがソフトロボティクスの分野で革新を推進する可能性を強調するだけでなく、超弾性材料を必要とするパーソナライズされた保護具など、他の分野でもさらなる可能性を切り開きます。

ソース：
出典: https://doi.org/10.1039/D3MH00773A

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