南カリフォルニア大学: 飛躍的な進歩を遂げた投影型ステレオリソグラフィープロセスにより、大型で高精度な 3D プリントの効率が大幅に向上

出典: ポリマーテクノロジー

自然界と人体には、無数の微細な肺胞で構成された人間の肺、植物の葉の超疎水性構造、減量を促進する工学で使用されるメタマテリアル、バイオメディカル分野のマイクロ流体デバイスなど、マルチスケールの構造が満ち溢れています。

投影ベースのバット光重合 3D 印刷は、このようなマルチスケールの複雑な部品の処理に大きな可能性を秘めています。ただし、この技術自体には、印刷領域と解像度の間に矛盾があります。プリンタ領域が大きくなると、1 ピクセルのサイズも大きくなり、印刷解像度が低下します (図 1a)。明らかな解決策は、ステップアンドリピート方式です。これは、投影システムをリニアモジュールを介してさまざまな位置に移動し、停止して投影し、平面全体が印刷されるまで続ける方法です (図 1b)。この方法では、大型部品を印刷する場合、小さな線分の加速と減速が頻繁に行われるため印刷時間が大幅に長くなり、印刷の信頼性とハードウェアの寿命が大幅に低下します。印刷効率を向上させるために、投影システムが硬化のために連続的に移動しながら画像を投影するムービングライト方式が開発されました。この方法では、投影システムがピクセルを移動するたびにマスク画像を更新する必要があります。そうしないと、モーションブラーによって誤った固化が発生します (図 1c)。このため、プロジェクターには非常に高いリフレッシュレート (たとえば 10 kHz) が必要です。市販されているプロジェクターのほとんどはこのパフォーマンス要件を満たすことができないため、印刷速度を下げるか、専用の高リフレッシュレート投影システムを開発する必要があります。
印刷領域と印刷速度の制限という問題を解決するために、南カリフォルニア大学の Yong Chen 教授と彼のチームメンバーであるポスドク研究員の Yang Xu (共同筆頭著者)、パデュー大学の Huachao Mao 助教授 (共同筆頭著者)、フィンランドのアアルト大学の Jouni Partanen 教授は、わずか 10 Hz のリフレッシュレートで高精度 (10 μm/ピクセル) 投影システムを使用して、微細構造を含む大型 (200 mm) の部品を効率的に印刷でき、印刷速度をさらに向上させる可能性のある Hopping Light Vat Photopolymerization (HL-VPP) 3D 印刷プロセスを開発しました (図 1d-f)。関連の研究成果は、「マルチスケール製造のためのホッピングライトバット光重合」というタイトルで、Small 誌に掲載されました。他の参加者には、USC 修士課程の学生である Cenyi Liu、Zhengyu Du、Weijia Yan、Zhuoyuan Yang が含まれていました。

このプロセスの核となるアイデアは、従来の光硬化システムに XY 軸と単軸ガルバノメータを追加し、ガルバノメータの周期的な回転運動を通じて投影システムの連続的な並進運動を相殺することです (図 2a-e)。各サイクルでは、投影システムの均一な直線運動とガルバノメータの均一な回転運動を同期させることにより、投影された画像は比較的静止したままになります。現在のサイクルの終了時に、ガルバノメータは 10 μs 以内に初期位置に戻り、次のサイクルを開始します。同時に、画像の投影も次の印刷サブ領域にジャンプします (図 2f-g)。投影システムは、サイクルごとに画像を 1 回更新するだけで済むため、更新レート要件が 100 分の 1 に削減され、高速スキャンでもモーションブラーは発生しません。従来のステップアンドリピート方式と比較すると、速度は5倍以上向上します（図2h-i）。 2 つの動きを同期させてずれを回避するために、研究者はコンピューター支援視覚法を使用して動作パラメータを調整し、誤差が最小解像度未満になるようにしました (図 3)。研究者らはこのプロセスを使用して、ミクロ構造とマクロ構造の両方を含む大規模な部品と、バイオニック超疎水性構造を含む大面積の表面を実証しました (図 4)。

図 1. a 従来の光硬化の概略図、b ステップアンドリピート図、c ムービングライト図、d ホッピングライト図、e さまざまな光硬化プロセスの印刷効率と寸法精度比の関係、f さまざまな露光時間とリフレッシュレート条件下でのムービングライトとホッピングライトの印刷効率の比較。
図 2. ae ホッピングライト 3D 印刷の原理、f ガルバノメータの周期的な動き、g ガルバノメータ、投影システム、マスクイメージの動きのパターン、hi ホッピングライトとステップアンドリピートの印刷効率の比較。
図3. ae コンピュータビジョン支援による動作同期調整。fg 調整前と調整後の比較。図 4. ホッピングライト印刷テスト: ad は、マイクロ構造とマクロ構造を備えた大面積の部品です。eg は、マイクロニードル構造を備えた大面積の表面です。hn は、バイオニック超疎水性構造を備えた大面積の表面です。
研究者たちは、Yuejin の光硬化 3D 印刷プロセスがもたらす大規模、高効率、高精度の処理能力により、バイオニック表面、大型メタマテリアル構造、電子皮膚など、より多くの分野での応用が促進されると考えています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1002/smll.202205784

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