スタンフォード大学、最大1.5ミクロンの解像度を持つマイクロクリップ3Dプリント技術を発表

2023年1月17日、アンタークティックベアは、スタンフォード大学の研究者が付加製造の微細加工に関する研究を実施したことを知りました。この研究は、付加製造を使用して微細構造を構築し、医療やエネルギー貯蔵などの分野でデバイス設計に革命を起こすという新たなパラダイムシフトに貢献しています。
この研究は、「1桁マイクロメートル解像度の連続液体界面生成」と題する論文として、科学誌「Science Advances」に掲載された。

関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2846
この研究では、エンジニアが積層造形における複数の微細加工問題を解決し、赤血球のわずか5分の1の大きさである1.5マイクロメートルという小さな特徴を持つ3Dプリント物体を実現するための新しい方法について説明しています。マイクロ CLIP と呼ばれるこの新しい 1 桁ミクロンスケールの印刷技術により、市販の CLIP プリンターよりも 50 倍小さい部品フィーチャーの製造が可能になり、同時に市販のプリンターの高速印刷速度も維持されます。市販のプリンターの印刷速度は、微細加工に適した他の「最先端」の高解像度 3D 印刷方法よりも 100 倍以上高速です。
△ミクロンスケールCLIPテクノロジーに基づく3Dプリンターの設定と印刷プロセスの概略図。画像はScience Advancesより
研究のハイライト<br /> この研究では、研究者らは、1桁ミクロンの解像度を達成するために、チューブレンズと顕微鏡対物レンズで構成されるカスタム投影レンズシステムを開発し、製造しました。さらに、高倍率顕微鏡の対物レンズの被写界深度は極めて狭い（数十マイクロメートル）ため、研究チームは、インラインビームスプリッターとカスタマイズ可能なチューブレンズを含むフォーカスアルゴリズムを使用して、投影されたパターンを CCD カメラで視覚化しました。
最適な焦点面の位置を見つけるために、研究チームはコントラストベースのアルゴリズムとデジタル設計されたメッシュパターンを使用しました。チームは最適な鮮明度の位置を引用し、400ミクロンの深さまでスキャンし、スルーフォーカス投影画像スタックを評価した後、実際の印刷結果でパフォーマンスを確認しました。チームによれば、このコントラストベースのフォーカスシステムは、高倍率投影光学系から狭い被写界深度までのフォーカスの課題を解決し、理想的な焦点面に簡単に再調整できるようにします。
研究者らは、4.5～135ミクロンのサイズの穴と線のパターンを使用して、1桁ミクロンの解像度でCLIPベースの3Dプリンターの解像度性能を評価しました。光学解像度は 1.5 ミクロンまで開発されましたが、繰り返して正常に印刷された最小の特徴は 18 ミクロンの穴と 6 ミクロンの線でした。調査の結果、樹脂の配合、設計パターン、光学解像度、印刷戦略、そして最後にクリーニング戦略がプリンターの解像度と印刷性能に大きな影響を与えることがわかりました。
これに続いて、研究チームは、CLIP 印刷プロセスに対する理解を深め、さまざまなデザインや材料に最適な印刷戦略を作成するための方向性を示すシミュレーションモデルを作成しました。このモデルには、ガウス分布で推定された PSF による投影光学系の光学シミュレーションと、運動量輸送および流れ場の潤滑理論予測が含まれています。また、デッドゾーンの厚さを評価するために、硬化高さ、酸素濃度勾配、光重合速度論のモデリングも含まれます。
研究チームが開発したシミュレーションモデルは、段階的な印刷戦略 (停止、移動、露光など) を使用して効果的な樹脂リフローを実現したり、樹脂の対流によって生じる印刷アーティファクトを排除するために必要な層間トルクを推定したりするなど、印刷プロセスを改善する方法についての洞察を提供します。このモデルは、一定の印刷デッドゾーンを維持するために必要なパラメータ (酸素拡散係数と光強度) も推定します。最後に、研究チームは、CLIP ベースの 3D プリンターを使用して 1 桁ミクロンの解像度で 3D 印刷できること、および粘性弾性材料を使用して印刷できることを実証しました。
△投影焦点面を最適化するためのコントラストベースのフォーカスアルゴリズム。画像はスタンフォード大学より
ミクロンレベルの3Dプリント技術の現状<br /> 以前、テルアビブに拠点を置く精密積層造形技術の開発会社 Nanofabrica は、ミクロンレベルの解像度を持つ 2 つの産業用 3D プリンター、Workshop System と Industrial System を発売しました。両システムは、同社の特許取得済みのプロセスを使用しており、デジタル光処理 (DLP) エンジンをベースとし、望遠鏡などの光学機器で画像の違いを強調するために使用される適応光学 (AO) 技術を使用しています。この技術は、医療、自動車、航空宇宙、光学、半導体の各業界で、ミクロンおよびサブミクロンの解像度と表面仕上げを備えた部品の開発に使用することを目的としています。
さらに、フランスの超高解像度3DプリンターメーカーMicrolight3Dは、サブミクロン3Dプリンター「Altraspin」を発売した。この機械の解像度は0.2μmで、これは人間の髪の毛の太さの100分の1の小ささです。マイクロロボット工学、バイオエンジニアリング、マイクロセンサーの分野で役立つ可能性のある Altraspin 3D プリンターは、サブミクロン製造の需要の高まりに対応するために開発されました。同社の CEO である Denis Barbier 氏は次のようにコメントしています。「Microlight3D は、幾何学的または有機的な形状に制限されないサブミクロン部品のよりカスタマイズされた迅速な試作に対する製造上の要求に応えて Altraspin を設計しました。」

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