北京航空航天大学：圧電空気圧マイクロジェット3D印刷（PPMJ）技術、高粘度圧電セラミック印刷に応用

はじめに: 3D プリントされた圧電セラミックスは、製造プロセスサイクルが短い、コストが低い、複雑な形状や微細構造を製造できるなどの利点があるため、多くの分野で注目を集めています。数十年にわたる開発にもかかわらず、高固形分セラミック 3D プリントは、印刷技術の発展によって常に制限されてきました。高粘度および高固形分圧電セラミック材料の積層造形に関する研究は、常に圧電セラミック 3D プリント研究の中核的な内容と重要な最前線であり、最も困難で挑戦的なトピックの 1 つでもあります。

南極熊は、2023年3月に、高粘度、高固形分圧電セラミックスの印刷問題を解決するために、北京航空航天大学機械工学学院の研究チームが清華大学材料科学工学学院、培和科技、君景科技有限公司と共同で、圧電空気圧ハイブリッド3D印刷法（PPMJ）を提案したことを知りました。100nmのチタン酸バリウムセラミック粉末をベースに、50vol％のセラミックスラリー印刷を実現できます（粘度は383,135mPa·sに達します）。「高粘度圧電スラリーの圧電空気圧マイクロジェット印刷」と題された研究は、雑誌「Additive Manufacturing」に掲載されました。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829

圧電セラミック材料は、音響、自己発電センサー、生体医療機器、マイクロエレクトロニクスにおける最新のエンジニアリングアプリケーションの開発の基盤となります。電子技術の革命と急速な発展に伴い、機能性圧電材料で構成された応用デバイスには構造の多様性が求められており、3D プリントされた圧電セラミックスはさまざまな分野で重要な役割を果たしています。

セラミック粒子の直径が小さくなり、固形分が増加すると、セラミックスラリーの粘度が大幅に増加し、印刷の失敗や印刷性能の低下などの一連の問題が発生します。北京航空航天大学機械工学部の孫超超博士は、清華大学材料科学工学学院、培和科技、君景科技有限公司の協力を得て、圧電空気式マイクロジェット3D印刷技術を提案しました。光硬化性セラミックスラリーを改良し、印刷パラメータと焼結プロセスを最適化することで、最終的に0.2mmサブミリノズルをベースに50vol%の高固形分セラミックスラリーの印刷を実現しました。この技術により、982〜383,135 mPs·s（固形分28〜50 vol%）の広い粘度範囲での印刷が可能になります。

△ 図1 PPMJハイブリッド印刷システムこの研究では、3つの代表的な樹脂と4つの一般的に使用される分散剤の配合を比較しました。各スラリーのレオロジー特性を比較することで、さまざまな樹脂に対する各分散剤の分散能力が実証されました。さらに、電子顕微鏡観察により分散剤の最適含有量を直感的に特徴づけることができ、セラミックスラリー配合プロセスにおける分散剤の最適含有量を決定するための基礎が築かれました。

△図2 分散剤の種類がさまざまな樹脂ベースのセラミックスラリーのレオロジー特性に与える影響 △図3 分散剤の含有量がスラリーのレオロジーに与える影響 △図4 焼結サンプルの光学画像さらに、PPMJで印刷されたサンプルと従来の乾式プレスサンプルを比較することにより、この印刷技術で印刷されたサンプルの性能は従来の乾式プレスサンプルの性能と同様であることがわかりました。これは、PPMJがエネルギー損失の少ない圧電セラミック印刷に使用できることを示しています。この実験では、ハニカム構造を印刷することで複合材料の製造も実現しました。製造された圧電樹脂複合材料は誘電率が低く、この技術はハイドロホンの製造やセンシングの分野で幅広く活用できます。

△表3 PPMJ印刷技術と従来の乾式プレスの比較北京百和科技有限公司は、「圧電セラミックス+」を中心とする国内ハイエンド工業製品開発プラットフォームであり、北京の専門的で革新的な中小企業です。ディスペンシング包装システム、ミニLED物質移動システム、ピコリットルレベルのバイオプリンティングシステムなど、一部の製品は量産・応用されています。

広東俊景科技有限公司は、国内のセラミック3Dプリント分野のダークホースです。清華大学、北京航空航天大学、北京科技大学、佛山新材料研究所などの技術力を頼りに、セラミック3Dプリント量産技術の構築に注力し、国内外の有名企業と提携し、セラミック配合と焼成システム、各種光硬化3Dプリント装置の開発、新世代の精密スプレー、5軸リンク、高精度直接書き込みなどの全半導体装置の開発、製造、販売を得意としています。

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