Nature Communications に掲載された体積付加製造のデコンボリューション

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

カナダ国立研究会議、カナダのオンタリオ工科大学、カリフォルニア大学バークレー校の研究者グループが、デコンボリューション体積付加製造技術を開発したと報告されています。関連する研究成果は、「デコンボリューション体積付加製造」というタイトルでNature Communicationsに掲載されました。

体積付加製造 (VAM) テクノロジーは、有望な超高速光ベースの 3D 製造アプローチです。しかし、この技術が広く採用されるためには、印刷の忠実度を大幅に向上させる必要があります。現在、体積付加製造印刷では、微細な特徴の体系的な不十分な固化という問題があり、さまざまな特徴サイズのオブジェクトを印刷することができず、多くのアプリケーションに効果的に採用することができません。ここで研究者らは、この制限の理由を明らかにしています。化学拡散と光学的ぼやけにより樹脂内で光線量が拡散し、これが ⪅0.5 mm の特徴において顕著になるからです。研究者らは、特徴のサイズによって印刷時間がどのように変化するかを定量的に予測するモデルを開発し、この誤差を修正するためのデコンボリューション法を実証しました。これにより、複雑なジャイロ構造や厚さが変化する細かい歯のギアなど、これまでは体積付加製造の能力を超えていた印刷が可能になります。これらの結果により、体積付加製造は、業界標準の印刷忠実度とのギャップを事実上解消した成熟した 3D 印刷方法として位置付けられます。

積層造形 (AM) では、通常、オブジェクトは一度に 1 つのボクセル、ライン、またはレイヤーずつ製造されます。このパラダイムは、体積全体を同時に印刷できる体積付加製造 (VAM) 技術の導入によって破壊されました。最も広く使用されている VAM 技術は、トモグラフィーの原理を使用して、感光性樹脂が入った回転バイアル内に 3D 光線を投影します。局所的な光量が重合閾値を超えると、オブジェクトは固まりますが、印刷された残りの部分は液体のままです。この方法では、約 10 - 20 mm のオブジェクトが通常約 10 秒から 1 分で印刷されます。これは、従来のボクセル/ライン/レイヤーベースのアプローチに比べて大幅に改善されています。さらに、硬化物は未硬化樹脂内に浮遊しているため、支持構造は必要ありません。しかし、印刷速度とデザインの自由度の向上には課題も伴います。ラスタースキャンステレオリソグラフィー (SLA) やデジタル光処理 (DLP) 印刷などの他のバット光重合法とは異なり、VAM での光照射は単一のレイヤーまたはボクセルに限定されません。ボリューム内のあらゆる場所に光量が適用されるため、露出過剰になる可能性が高くなります。さらに、SLA の約 0.01～0.1 秒/ボクセル、DLP の約 1～10 秒/レイヤーと比較すると、VAM の印刷されたボリュームは、重合前に数十秒から 1 分以上連続的に照射されるため、拡散効果が現れる時間が長くなります。
研究者らは、「光散乱トモグラフィー」（OST）と呼ばれる画像化技術を導入し、VAM における 3 次元重合プロセスをリアルタイムで観察し、定量化しました。 VAM に共通する現象: 大きな特徴が最初に重合 (または過剰硬化) し、その後に小さな特徴が十分に見えなくなる傾向があります。研究者らは、図 1 に示すように、さまざまな厚さのディスクの簡単な印刷実験を使用して、重合時間に対するこのサイズ依存性を実証しました。研究者らは、この特徴サイズに依存する重合時間の原因が、時間依存の線量拡散と投影された光学点広がり関数 (PSF) の組み合わせであると特定しました。研究者らは、OST を使用することで、2 段階印刷により初めて VAM 樹脂内の線量拡散を直接視覚化し、線量拡散係数を測定することができました。研究者らは、既知の拡散と投影された PSF を使用してターゲット形状をデコンボリューションし、さまざまなディスク厚さにわたって均一な凝集時間を回復することが可能であることを示しました。これは、他の方法では不可能です。さらに研究者らは、微細な相互接続された壁や穴を持つ物体や、微細な歯車の歯を持つ物体を印刷することで、この結果が複雑な 3D 物体にも一般化できることを実証しました。

図 1: VAM では小さなフィーチャがゆっくりと印刷されます。
図 2: デコンボリューション VAM は、さまざまな特徴サイズの構造を印刷します。

VAM における拡散<br /> VAM では、光線量は約 10 ～ 100 秒間にわたって照射されます。この間、酸素は枯渇し、局所的に閾値濃度を下回ると、重合が始まります。

図3: 線量拡散係数の測定。
図 4 では、研究者らは、図 2 で印刷および設計された可変壁厚ジャイロスコープの断面図を示しています。図 4a の未補正の印刷された OST の等値面は、構造上の重合時間が不均一なために内部の細孔構造が完全に失われていることを示しています。対照的に、図 4b は、ジャイロスコープの複雑な内部形状が、デコンボリューション補正されたプリントで完全に再現されていることを確認しています。一連の 2D セクションを詳細に検査すると、デコンボリューション補正を使用すると、小さな負の特徴と正の特徴の両方が正しいサイズで表示されることがわかります。注目すべきは、デコンボリューションパターンの内部の細孔空間も損なわれておらず、微細な正と負の特徴 (細孔) が形成されていることを示しています。これは、さまざまなサイズにわたるネガティブフィーチャの忠実度が重要な流体アプリケーションにとって重要です。

図 4: 特徴サイズの範囲が広いために補正されていない VAM が失敗する場合に、デコンボリューションによって高忠実度の最終部分が生成されます。
デコンボリューション補正によって改善されたプリントの別の例を図 5 に示します。ここで、研究者たちは一対の機械ギアプリントを作成しました（図 5a）。上のギアの歯は幅広（0.4 mm）、下のギアの歯は細め（0.1 mm）です。予想通り、光散乱画像から、上段ギアと下段ギアの太い歯と細い歯の凝集時間に大きな差があることがわかります。これにより、上部ギアの過剰硬化が発生します (図 5b)。これは、下部ギアの歯を重合させるために必要です。リングギアの特徴サイズが歯よりも大きかったため、下部ギアも過剰硬化しました。

図 5: デコンボリューション補正を有効にして VAM を使用して印刷されたギア。
この研究で研究者らは、VAM に共通する現象、つまり、より微細な特徴を重合するにはより大きな光量が必要であることを体系的に調査しました。研究者らは、樹脂に投影された光学 PSF による時間依存および時間依存の線量拡散の両方を含むモデルを使用して観察結果を説明しました。すべての積層造形技術は、熱溶解積層法 (FDM) における層の固着、金属粉末床溶融における望ましくない多孔性、選択的レーザー溶融におけるペレット、2 光子重合における微小爆発など、モダリティ固有のアーティファクトが発生しやすい傾向があります。 VAM 技術が開発されて以来、印刷材料の拡張、樹脂の散乱、セラミック、ガラス、より正確な投影計算アルゴリズム、剛性制御、干渉縞の除去、よりシンプルな光学機械設計、リアルタイムの視覚化など、VAM の多くの制限が解除されました。研究者らの研究により、VAM の機能が大幅に向上し、印刷機器の改造や追加のハードウェアコストをかけずに、さまざまなサイズの特徴を持つ高品質の印刷物を生産できるようになりました。 VAM 印刷に関するこうした基本的な理解と VAM 印刷機能の進歩により、VAM は次世代の超高速製造技術の最前線に躍り出、複雑な流体コンポーネントから宇宙製造まで、幅広い用途への可能性が開かれました。

関連論文リンク:

Bao, F., Wang, X., Sureshbabu, SH et al. 熱アシスト検出および測距。Nature 619, 743–748 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06174-6

Nature Communications に掲載された体積付加製造のデコンボリューション

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