科学者は近赤外光を利用して新しいマルチマテリアル樹脂3Dプリントプロセスを開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-7-13 11:59 に最後に編集されました

2023年7月13日、Antarctic Bearは、英国ヘリオット・ワット大学の科学者が近赤外光に基づく新しい3Dプリント方式を開発し、複雑な構造のマルチマテリアル・マルチカラー印刷を実現したことを知りました。この研究は、ヘリオット・ワット大学のセンサー・信号・システム研究所の協力を得て、ホセ・マルケス・ウエソ博士が主導した。

△本研究で使用したマルチマテリアル印刷法を図に示す。
チームは、一般的に使用されているステレオリソグラフィー (SLA) 3D 印刷プロセスを改良し、より広範囲のマルチマテリアル統合を実現しました。従来の SLA プロセスでは、青色レーザーまたは UV レーザーを使用して液体樹脂を硬化させ、オブジェクトを層ごとに構築します。ただし、このプロセスでは材料の混合は許可されません。新しい方法では、科学者たちは近赤外線光源を使用し、より深い樹脂槽に3Dプリント技術を適用することができました。研究チームは、この革新的なプロセスは、特に医療や電子機器の分野でプロ仕様の部品の3Dプリントに大きな可能性をもたらすと述べている。

これはマルチマテリアル 3D プリントを実現する最初のプロセスではありませんが、熱溶解積層法 (FDM) 技術は以前から複数の材料で印刷する機能を備えていました。しかし、科学者たちは、この新しい方法では、複数の材料からなる部品をはるかに高い解像度で印刷できると主張している。

△ホセ・マルケス・ウエソ博士（左）とアディレット・ザケエフ博士ヘリオット・ワット大学のアディレット・ザケエフ博士は、研究チームがこのプロジェクトに3年近く取り組んできたと語った。「熱溶解積層法（FDM）技術では材料の混合は可能ですが、解像度が低く、個々の層は見えません」と彼は言う。「ステレオリソグラフィーなどの光ベースの技術では、5ミクロン未満の解像度で滑らかなサンプルを提供できます。」

「発光励起による架橋のためのマルチマテリアルステレオリソグラフィー」と題されたこのプロジェクトは、工学物理科学研究評議会（EPSRC）から28万ポンド（約261万人民元）の資金提供を受けた。

△研究成果は、雑誌「Applied Materials Today」に掲載されました。論文タイトルは「アップコンバージョン3Dプリンティングにより、単一浸漬マルチマテリアルステレオリソグラフィーが可能に」（ポータル）
新しい近赤外線3Dプリントプロセス

この方法の革新性は、近赤外線 (NIR) 光を使用して 5 cm 以上の深さで 3D プリントすることにあります。これは、従来の SLA 技術の 0.1 mm の深さの制限を大幅に超えています。マルケス・ウエソ博士は、このアプローチは前例がないと主張している。

この新しいプロセスの主な利点の 1 つは、最初に 1 つの材料で 3D プリントし、次に 2 番目の材料を追加できることです。 2 番目の材料は、印刷されたオブジェクトの上面と外面に限定されず、3D 空間のどこにでも硬化できます。これは、近赤外線レーザーが元の印刷物の外層を貫通できるためです。

マルケス・ウエソ博士は次のように説明しています。「たとえば、四辺がほぼ密閉された中空の立方体を印刷できます。その後、この箱の中にまったく異なる材料でできた物体を印刷できます。近赤外線レーザーは、前の材料を目に見えないかのように透過するからです。実際、近赤外線では完全に透明です。」

△新しい3Dプリントプロセスの概略図プロジェクトの重要な部分は、光変換機能を備えたナノ粒子を含むエンジニアリング樹脂を開発することです。これらのナノ粒子は近赤外線光子を吸収し、それを青色光子に変換して樹脂を硬化させます。この現象は非線形であり、レーザー焦点を通過するのではなく、主にレーザー焦点で発生します。これにより、NIR が透明であるかのように材料の奥深くまで浸透し、内部の材料のみを硬化させることができます。

この革新的なプロセスにより、同じサンプルで異なる特性を持つ複数の材料を 3D プリントできるようになります。たとえば、柔軟なエラストマーと硬質アクリルを同時に印刷できます。科学者たちは、この方法には、腔内3Dプリント、靴の製造、壊れた物の修理、皮膚を通したその場バイオプリンティングなど、さまざまな用途があると指摘している。

研究者らによると、この技術は製造コストが400ポンド（約3,732元）未満と安価であることでも注目に値する。数万ポンドもする高価な超高速レーザーを必要とする2光子重合（2PP）などのレーザーを使用する他の高度な技術と比較すると、この方法はより安価なソリューションを提供します。マルケス・ウエソ博士は、この技術をさらに発展させるために産業界と協力したいと述べた。

△マルチマテリアル3Dプリント装置の概略図
マルチマテリアル樹脂3Dプリント

ヘリオット・ワットの方法は、マルチマテリアル樹脂 3D プリントを実現した最初の方法ではありません。昨年、BCN3D は、デュアルマテリアル樹脂 3D 印刷機能を可能にする Viscous Lithography Manufacturing (VLM) 3D 印刷技術を発表しました。この技術は、UV ライトエンジンと LCD スクリーンを利用して、1 回の構築で 2 種類の異なる樹脂を 3D プリントします。さらに、RepRapの創設者であるエイドリアン・ボウヤー博士は、2つの異なる樹脂を交互に使用することで、印刷の各層で複数の材料の組み合わせを実現するSLAマルチマテリアル3Dプリントの方法を提案しました。これらの研究の進歩により、マルチマテリアル 3D プリントの選択肢と可能性がさらに広がります。

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