SUSTC: 多機能で複雑な3次元異種構造を迅速に統合成形するための遠心マルチマテリアル3Dプリント技術

出典: SUSTech 公式ウェブサイト、Frontiers of Polymer Science

南極熊は、南方科技大学機械エネルギー工学部の葛奇准教授のチームが「多機能異種物体の遠心マルチマテリアル3Dプリント」と題する論文をネイチャーコミュニケーションズに発表したことを知りました。彼らは遠心DLPマルチマテリアル3Dプリント法を提案し、大規模で複雑な3次元異種構造を製造し、ボクセルスケールで構造の構成、性能、機能の精密制御を実現する遠心マルチマテリアル（CM）3Dプリントシステムを開発しました。

単一材料 3D プリントとは異なり、マルチ材料 3D プリントでは、完全に異なる特性または機能を持つ 2 つ以上の材料を 3 次元空間に任意に配置できるため、3D プリントの設計および製造機能が大幅に向上します。現在、マルチマテリアル 3D プリンティングは主にインクジェットまたはインク直接書き込みによって実現されています。これらの方法では、印刷される材料の多様性と、複数の材料からなる構造の特性寸法に一定の制限があります。デジタルライトプロセッシング (DLP) は、高速かつ高精度の 3D 印刷技術です。しかし、材料切り替えプロセスによって構造物に付着した大量の残留液体をいかに迅速かつ効果的に除去するかが、DLP マルチマテリアル 3D プリンティングを実現する上での重要な課題です。

図1に示すように、CM 3Dプリンティングシステムは、最大180 mm×130 mmのフォーマットでマルチマテリアルプリンティングを実現し、同時に4つ以上の材料を印刷できます。 CM 3D 印刷システムは、ハイドロゲル、ソフト/ハードポリマー材料、形状記憶ポリマー、導電性エラストマー、さらにはセラミックなど、さまざまな機能と特性を持つ材料の印刷に適しています。印刷された材料の弾性率は 8 桁 (103 Pa ～ 1011 Pa) に及びます。

図1 CM 3Dプリンティングシステムで製造されたさまざまな複雑な3次元異質構造

図 2 に示すように、CM 3D 印刷システムは、哺乳類が脱水症状を起こすために急速に回転する動作にヒントを得て、印刷された構造を急速に回転させて遠心力を発生させることで、マルチマテリアル切り替えプロセス中に残留液を迅速かつ非接触で除去します。遠心力で残留液を除去するこの方法は、構造物のサイズ、形状、樹脂の粘度による影響が少なくなります。たとえば、セラミックスラリーの残留物は、CM 3D プリンティングシステムで簡単に除去できます。

図2. 遠心残留樹脂除去の原理

図 3 に示すように、CM 3D 印刷システムは、黒と白の材料間の無公害の切り替えを実現できます。黒と白の材料間の遷移界面サイズは 100 ミクロンで、他のマルチマテリアル 3D 印刷技術よりも優れています。この優れた特性により、デジタル素材を設計および印刷することが可能になります。ソフトボクセルとハードボクセルの微視的空間分布を正確に制御することで、デジタル材料のマクロ的な機械的特性を容易に制御できます。

図3. CM 3Dプリンティングシステムはデジタル素材の統合印刷を実現します

図 4 に示すように、CM 3D プリントシステムは、剛性と導電性が異なる材料を迅速に統合できます。これを活用して、駆動、曲げ感知、圧力感知、温度感知を統合したソフトウェアドライバーを設計および印刷し、さまざまな物体をつかむための信号認識、およびさまざまな温度での把持信号知覚と信号補正を実現しました。

図4. CM 3Dプリンティングシステムは、多感覚統合ソフトウェアドライバーを実現します。

図 5 に示すように、CM 3D プリンティングシステムは、セラミックグリーンボディとポリマー材料の統合成形が可能です。これを利用して、張り出した部分や垂れ下がった部分のあるセラミック構造を印刷することができます。セラミックベアリング構造を設計し、印刷しました。印刷された構造では、セラミックローラーはポリマー材料によって支持されています。高温焼結によりポリマー材料が除去され、印刷されたセラミックベアリングは自由に回転できるようになります。

図5. CM 3Dプリンティングシステム統合印刷セラミックポリマー統合構造

南方科技大学機械エネルギー工学科の2020年博士課程学生であるCheng Jianxiang氏が論文の第一著者であり、Ge Qi氏が論文の唯一の責任著者であり、SUSTechが論文の最初のユニットである。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、深セン市科学技術イノベーション委員会によって支援されました。

論文リンク:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35622-6

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