科学の頂点：バス型シリコン3Dプリント技術が構造的損傷を軽減

この投稿は Coco Bear によって 2023-3-28 20:55 に最後に編集されました。

はじめに: 3D プリントのさまざまな分野において、高品質のシリコーンプリントは、印刷が難しく、アプリケーションの制限が多いため、これまであまり使用されてきませんでした。しかし、シリコンベースのコンポーネントは、数多くの先進技術や日常の消費者製品に不可欠なものです。シリコーンエラストマーは、熱、湿気、化学物質に対する耐性があるため、さまざまな用途に使用されています。しかし、シリコンを使用した 3 次元 (3D) 印刷は、前駆体の界面挙動のために困難です。

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2023年3月、アンタークティックベアは、フロリダ大学の研究者が、市販されているさまざまなシリコン配合を使用して、精密で正確、かつ強固で強力な構造物を製造できるシリコン3Dプリント技術を開発したことを知りました。このレベルの性能を実現するために、研究チームはシリコーンオイルエマルジョンから作られたサポート材料を開発しました。この材料はシリコンベースのインクとの界面張力がごくわずかであるため、印刷されたシリコンの特徴が変形したり壊れたりすることを引き起こす破壊的な力が排除されます。彼らの研究は、「シリコンベースのサポート材料が3Dシリコン印刷における界面不安定性を排除する」というタイトルでトップジャーナルのサイエンスに掲載されました。

研究者たちは、支持材料としてシリコーンオイルの連続相に囲まれた高密度エマルジョンを使用することで、シリコンベースの材料で精密で自立した非常に詳細な物体を 3D プリントすることができました。この技術により、サポート材料と印刷液間の界面張力を正確に制御できます。著者らは、4ミクロンほどの小さな特徴だけでなく、機械的に堅牢で薄壁の正確な人体血管モデルも印刷できることを実証した。

具体的な研究内容<br /> シリコーンは、生体適合性、耐熱性、耐薬品性、耐湿性など、特に興味深い特性を備えています。しかし、3D プリントにはいくつかの課題があります。それは、FDM/FFF で使用されるフィラメントとは異なり、柔軟な素材であり、一度溶けると再固化することができないことです。したがって、印刷には主に 2 つの問題があります。
●シリコンは通常、不可逆的に硬化する前に液体の状態で印刷する必要があります。
●形状の複雑さを確保する方法：印刷プロセス中に構造が崩れるのを防ぐにはどうすればよいでしょうか?

△界面張力により特徴的な破壊が生じる

上記の 2 つの問題に対処するために、研究者らは、支持材料としてシリコーンオイルを使用して材料の連続層を堆積するというアイデアに基づく浴槽印刷プロセスを設計しました。では、なぜサポート材としてシリコンを選ぶのでしょうか? 「私たちは、シリコーン流体から作られたサポート材料を開発することで、界面張力の問題に対処することにしました」とチームは説明しています。研究の結果、ほとんどのシリコーンインクはシリコーンサポート材料と化学的に類似しているため、界面張力が大幅に低下しますが、3D プリントで組み合わせても分離したままになる程度には異なります。AMULIT サポートメディアを使用すると、市販のシリコーンを高解像度でプリントして、直径 8 ミクロン (約 0.0003 インチ) ほどの小さな特徴を作成できます。プリントされた構造は、従来の成形構造と同じくらい弾力性と耐久性があります。界面張力とは、混ざり合わない 2 つの液体間の表面を破壊するために必要な力であることを思い出してください。

△研究者は界面張力の原理に頼っている

研究者らは人間の脳の血管を印刷した初めての研究者であり、これにより脳神経外科医は手術前に訓練したり、より現実的なシミュレーションの恩恵を受けたり、あるいは単に患者の解剖学的構造をよりよく理解したりすることが可能になる。彼らは、患者の 3D スキャンから作成されたこれらの特注血管の物理モデルにアクセスし、触れることができるようになります。

結論印刷インクとその支持材料間の界面張力は、3D プリントされた構造に破壊的な影響を与える可能性があります。調査結果は、AMULIT テクノロジーの汎用性により、3D アプリケーション用の特殊な PDMS インクを調合する必要がなくなり、従来のシリコン印刷方法が改善されたことを示唆しています。 AMULIT の鍵となるのは、サポートするインクと化学的に類似したサポート材料を配合することです。この場合、PDMS インクは PDMS オイルの連続体に印刷されますが、同じ原理を水性ポリマーにも適用できます。

インクとサポート媒体の化学的性質は十分に類似しているため、2 つの材料を混合しても印刷品質には影響しません。さらに、エマルジョン間の弱い引力相互作用により、界面の反対側で反応が起こる可能性があります。ポリマーシステムの多様性と可用性、および AMULIT サポート材料配合のシンプルさを考慮すると、AMULIT アプローチはシリコンベースのデバイスを超えて 3D 印刷にも応用できます。

展望<br /> シリコンベースのコンポーネントは、日用品から電子機器、航空宇宙、医療業界の先端技術まで、多くの先端技術や日常の消費者製品に不可欠なコンポーネントです。シリコン製品は通常、液体シリコンを金型に注入または注入し、固化後に鋳型を取り出すことによって製造されます。高精度の金型を製造するにはコストがかかり、製造が困難なため、製品は限られた数種類のサイズ、形状、デザインでしか提供できません。繊細なシリコン構造を損傷なく金型から取り外すことも困難であり、非常に複雑な構造を製造する際に製造欠陥が増加します。この最新の研究により、これらの課題を克服し、治療用のパーソナライズされたインプラントの印刷や患者の生理学的構造モデルの移植など、医療および健康分野における高度なシリコーンベースの技術の開発と応用が可能になると期待されています。

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