USTCはインク直接書き込み3D印刷技術の解像度の向上において重要な進歩を遂げました

出典：中国科学技術大学

はじめに:最近、中国科学技術大学の Yu Shuhong 院士のチームが、インク直接書き込み 3D 印刷技術の解像度を向上させる方法を報告しました。この方法は、印刷可能なハイドロゲル (カルボマーゲル) の制御可能な収縮特性に基づいています。

インク直接書き込み 3D プリントは、広く使用されている積層製造技術です。この方法では、インク成分の幅広い選択肢が利用され、製造コストが比較的低くなります。しかし、インク直接書き込み方式は印刷解像度が低いという制限があり、高解像度の三次元構造を印刷することは非常に困難です。ハイドロゲルは、水分を失うと大きな体積変化を生み出すことができる、膨潤性の高いポリマーネットワークです。3次元ハイドロゲル構造の体積収縮を利用して微細構造を製造することは、オプションのソリューションです。さらに、インク直接書き込み方式では、複雑な吊り構造を印刷する際にも課題に直面します。一般的な戦略は、後でターゲット材料を印刷された犠牲テンプレートに注入して、間接的に複雑な 3 次元構造を製造することです。最近の研究努力は光硬化性犠牲テンプレートに焦点が当てられていますが、これらのテンプレートの除去には通常、高温処理または有毒な溶剤が必要であり、注入できるターゲット材料の種類が大幅に制限されます。

最近、中国科学技術大学の Yu Shuhong 院士のチームが、インク直接書き込み 3D 印刷技術の解像度を向上させる方法を報告しました。この方法は、印刷可能なハイドロゲル (カルボマーゲル) の制御可能な収縮特性に基づいています。研究者らは、分子鎖間に共有結合架橋を導入することで、乾燥後にハイドロゲルが均一に収縮する特性を持たせました。3Dプリントされたハイドロゲル構造の体積は、元の体積の0.5％まで収縮することができ、インク直接書き込み3Dプリント技術の製造解像度が向上しました。さらに、研究者らは、ターゲット材料のインクを印刷インクシステムに直接組み込むのではなく、ハイドロゲルシステムを使用して犠牲テンプレートを事前に印刷することで、ターゲットインクのレオロジー特性を再設計する必要がなくなり、製造できる材料の種類が拡大しました。研究結果は、「複雑な 3D マイクロアーキテクチャに向けたプレプリントハイドロゲルスキャフォールドの制御された乾燥」というタイトルで Advanced Materials に掲載されました。本論文の第一著者は本学博士課程の学生である崔陳氏であり、責任著者は院士の于淑紅氏と高華玲教授である。

インク直接書き込み3D印刷技術の印刷の複雑さと印刷解像度を向上させるために、研究者は、制御可能な収縮特性を持つハイドロゲル粒子を犠牲テンプレートのインクとして使用しました。印刷されたハイドロゲル犠牲テンプレートは、制御された乾燥後に体積が99.5％収縮し（図1g）、サブミリメートル解像度の複雑な3次元構造（二重らせん構造を例に挙げる）を製造することに成功しました。研究により、ハイドロゲル内の分子間共有結合架橋がハイドロゲルの均一な収縮を達成するための重要な要素の 1 つであることがわかっています。研究者らはさまざまな架橋方法でハイドロゲルをテストし、その戦略の普遍性を検証した。

図 1 制御可能な収縮ハイドロゲルは、犠牲テンプレートを準備するためにインク直接書き込み 3D 印刷によって作成されます。印刷された構造は自然乾燥され、元の構造が維持されます。
サイズが大幅に縮小され、製造解像度が向上しました

犠牲テンプレートの細孔の幾何学的異方性が収縮の均一性に与える影響をさらに研究するために、研究者らはそれぞれ水平方向と垂直方向の円筒形の細孔を持つスキャフォールドを印刷しました。水平および垂直の細孔断面の重なり係数はそれぞれ 0.94 と 0.95 であり、収縮前後の細孔構造の形状保持率が高く、ハイドロゲル足場が 3 次元空間で均一に収縮していることを示しています (図 2a)。ハイドロゲルの最大収縮倍数を調べるために、水酸化ナトリウムで中和したカルボマーゲルは、水平方向に5.95倍、垂直方向に5.32倍の均一収縮を達成しました（図2b）。

研究者らはさらに、概念実証として、3次元の導電経路を備えた論理回路と磁気マイクロロボットを設計した。制御可能な収縮が可能な 3D プリントハイドロゲルは、乾燥後にマイクロ回路の足場を形成し、注入された液体金属 EGaIn が内部に導電経路を形成します。マイクロ LED はキューブ回路の 5 つの面に固定されており、底部の異なる接点ペアを接続することで、マイクロ LED が順番に点灯します (図 2g)。制御可能に収縮可能な 3D プリントハイドロゲルを犠牲テンプレートとして使用し、特性サイズが 90 ミクロンの磁気マイクロロボットも製造されました。制御可能な磁場の作用により、マイクロロボットは優れた回転および移動機能を備えています。

図 2 ハイドロゲル犠牲足場の細孔の幾何学的異方性が均一収縮と製造された 3 次元回路デバイスに与える影響。研究者は、印刷可能なハイドロゲルの制御可能な収縮特性を利用して、インク直接書き込み 3D 印刷技術の製造解像度と構造の複雑さを改善しました。将来的には、ハイドロゲル支援 3D 印刷法が、3 次元マイクロナノ製造における経済性と柔軟性の問題を解決するための新しいアイデアを提供します。

この研究は、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、安徽省大学共同イノベーションプロジェクト、中央大学基礎研究特別基金の資金提供を受けて実施されました。

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