新しい 3D 印刷技術は、フォトニック結晶を細かく「彫刻」して構造色を「カラフル」にします

出典：科技日報

革新的な印刷技術がインクの問題を解決

この研究では、研究チームは、紫外線ビームを使用して感光性樹脂溶液に3D構造を彫刻する連続デジタル光処理3D印刷技術を使用しました。研究チームは、印刷方法の革新に加え、印刷に必要なインクにも大胆な革新をもたらしました。研究結果によると、連続デジタル光処理3D印刷技術は、パーソナライズされたジュエリーアクセサリーや装飾、芸術的創作などの分野で比較的幅広い応用の見通しを持っています。

色鮮やかな蝶の羽、明るく美しい孔雀の羽、金属光沢を放つ昆虫の殻...これらの素晴らしい自然の傑作は、通常の顔料ではなく、フォトニック結晶構造による光の散乱、干渉、回折によって形成される構造色で装飾されています。

フォトニック結晶は、異なる屈折率を持つ媒体を周期的に配置して形成される光学メタマテリアルであり、光半導体とも呼ばれます。フォトニック結晶材料や関連デバイスを設計・製造することで光子の動きを制御し、それを基にフォトニック結晶材料のさまざまな応用を実現することは、人々の長年の夢でした。

最近、中国科学院化学研究所グリーン印刷重点研究室の宋燕林研究員と呉磊准研究員からなる研究チームは、連続デジタル光処理（DLP）3D印刷技術を使用して、明るい構造色を持つ3次元フォトニック結晶構造の作成を実現し、構造色の作成方法を革新し、3D印刷の応用を拡大するための新しい道を切り開きました。

革新的な方法によりフォトニック結晶を正確に成長させる

フォトニック結晶は、将来の光産業の発展のための基礎材料として、その独自の 3 次元光制御機能により、集積光学部品、フォトニック結晶ファイバー、高密度光データストレージなどへの幅広い応用が期待されています。近年の 3D プリント技術の成熟した発展により、フォトニック結晶を作製する最良の手段の 1 つにもなりました。

宋延林氏は記者団に対し、近年、3Dプリント技術をさまざまなパターンのフォトニック結晶の製造に応用した事例がいくつかあるが、一般的な3Dプリント技術では、構造色の効果が乏しい、印刷精度が低い、インク内の樹脂の光硬化速度とナノ粒子の集合速度の違いにより複雑な3次元構造を実現するのが難しいなどの問題があると語った。上記の方法で作製されたさまざまなパターンのフォトニック結晶は、表面形態が粗い、忠実度が低いなどの欠陥があり、光学デバイスに広く使用することが困難です。

フォトニック結晶構造の高精度かつ高忠実度の 3D プリントを実現するには、新しい方法を開発する必要があります。この研究では、研究チームは連続デジタル光処理3Dプリント技術を使用しました。原材料を層ごとに押し出して積み重ねる一般的な 3D 印刷技術とは異なり、連続デジタル光処理 3D 印刷技術は、感光性樹脂材料が紫外線下で急速に硬化する特性に基づいており、紫外線ビームを使用して感光性樹脂溶液に 3D 構造を彫刻します。

研究チームが採用した連続デジタル光処理3D印刷法の主な印刷手順は次のとおりです。まず、透明基板にインクを落とし、成形面をインクの上にゆっくりと下げてインクと接触させます。次に、印刷されたパターンを基板の下の光線を通してインクに照射します。その後、紫外線にさらされたインクは事前に設計された形状に固まります。小さなインクの滴が 3D フォトニック結晶構造に「刻まれ」、製造プロセス全体が基板から「成長」しているように見えます。

宋燕林氏は、研究チームが使用した連続デジタル光処理3Dプリント技術は、主に2つの面で重要な改善を達成したと述べた。

印刷モードに関して言えば、市場に出回っている光硬化連続デジタル光処理 3D 印刷技術は、ほとんどが層ごとに印刷するため、印刷速度は比較的遅いです。研究チームが開発した低接着性光硬化インターフェースにより、液滴と基板間の接着力が極めて低くなり、印刷プロセスが簡単になり、高速かつ連続的な印刷が可能になり、印刷速度が大幅に向上します。

成形方法に関して言えば、市販されている光硬化連続デジタル光処理 3D プリント技術では、通常、液体タンクを使用して大量の液体樹脂を保持します。液体樹脂を多量に保持する液体タンクを使用する方法では、連続印刷工程中に照射により硬化すべきでない部分が硬化してしまい、大量の原材料の無駄が発生するだけでなく、連続印刷工程の安定性や解像度も低下します。研究チームは液体タンクを廃止し、代わりに単一のインク滴を成形ユニットとして使用しました。硬化プロセス中のガス、固体、液体の3つの相の接触ラインを制御することで、硬化構造の表面に残留する液体樹脂が大幅に減少しました。同時に、単一のインク滴を成形単位として使用することで、界面接着が減少し、液体内の樹脂の流れが増加し、3Dプリントの精度と安定性が大幅に向上します。

困難を乗り越え、インクの問題を一つずつ解決する

研究チームは、印刷方法の革新に加え、本研究における印刷に必要なインクにも大胆な革新を施しました。「今回の研究で最も困難だったのは印刷インクの開発でした」と宋燕林氏は語った。

上記の問題に対処するため、研究チームは水素結合を利用したコロイド粒子インクを独創的に開発し、印刷された構造に高品質の構造色とフォトニック結晶特性を与えました。研究チームが開発したインクは、三次元構造を構築するための光硬化性モノマーと光開始剤、構造色を確保するためのナノ粒子、光散乱を減らすための添加剤の3つの部分で構成されています。

△水素結合支援コロイドインクを使用し、連続デジタル光処理3D印刷技術で印刷された3D構造は、高品質の構造色を持っています

研究チームは、モノマーの選択と開始剤の合成において、環境保護要件を考慮し、水性インクシステムを合成しました。しかし、現在広く使用されている開始剤のほとんどは油溶性であり、数少ない水溶性開始剤は3Dプリントで使用される光の波長と一致しないため、光開始効率は低くなります。より高い光開始効率を持つ水溶性開始剤を得るために、研究チームは大量の文献を参照し、実験を繰り返し、ついに水溶性光開始剤の合成に成功しました。

開始剤に加えて、光硬化性モノマーの選択もさらに重要です。宋燕林氏は、適格な光硬化性モノマーは、3次元構造を実現でき、印刷プロセス中にポリマーとナノ粒子の相分離を引き起こさないという条件を満たさなければならないと述べた。論文の筆頭著者である張宇氏は、「ついに、適切なモノマーであるアクリルアミドを発見した」と語った。

モノマーを選択した後、光硬化性モノマーとナノ粒子の比率を決定する必要があります。光硬化性モノマーが少ないと印刷ができなくなります。逆に、光硬化性モノマーが多すぎると、ナノ粒子の移動や分散に影響し、構造色の品質に影響を与えます。多くの実験を経て、チームはさまざまな比率の組み合わせを試し、最終的に最適な比率を決定しました。

最後に、印刷プロセスにおける光の散乱の影響を軽減し、印刷された構造の色の彩度を最大化するために、チームは添加剤の選択においてカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、黒インクなどさまざまな材料を試しました。しかし、上記の材料はいずれもさまざまな欠陥を抱えているため、研究チームは最終的に特別に処理されたカーボンブラックを添加剤として使用しました。

△3D構造色生成メカニズム

幅広い展望が構造色を「カラフル」にする

この研究で、研究チームは、視野角、コロイド粒子のサイズ、印刷速度などの要因が 3D 構造色の表現に影響を与えることを発見しました。コロイド粒子のサイズと印刷速度が変わらない場合、視野角が増加するにつれて、構造色は青、つまりオレンジ色から黄緑色、そして最終的に青紫色に変化します。この視点依存の特性により、連続デジタル光処理 3D 印刷技術は、パーソナライズされたジュエリーアクセサリーや装飾、芸術作品などの分野で比較的幅広い応用の見通しを持っています。

視野角の変化が構造色の表現に影響を与えることに加え、印刷速度が固定されている場合、固定コロイド粒子サイズを制御し、印刷速度を調整することで、可視光範囲をカバーする一連の構造色を得ることができます。順次スライス、順次投影、セグメント印刷の手法を採用することで、同じ物体構造に複数の構造色を表現することも可能です。

研究チームは、構造色を簡単に作成できることに加えて、この連続デジタル光処理3D印刷技術を使用して、滑らかな内外面、低い光損失、色選択性を備えたさまざまな線形および非線形光伝送3D構造を作成し、高効率光伝送デバイスの製造におけるこの方法の独自の利点も検証しました。宋燕林氏は、研究チームは今後もフォトニック結晶機能デバイスの作成において新たな探求を続けていくと述べた。

新しい 3D 印刷技術は、フォトニック結晶を細かく「彫刻」して構造色を「カラフル」にします

3Dプリント技術は、我が国の鋳造産業の変革とアップグレードに役立つと期待されています。

北京航空航天大学のウェン・リー研究グループ: 超精密 3D プリントされたフレキシブルセンサーに基づくソフトロボットの「非接触」インタラクティブティーチング

3Dプリントされたソフトロボットハンドは、人間の掴む動作を模倣し、それに反応することができる

IDCの最新予測：3Dプリンティングは2018年にアジアの主流市場に参入する

BMF Precision は、クラス最高の 3D プリントファイル編集ソリューションを提供するために Materialise との提携を発表

本当に役立つ情報です！！南極クマの 3D プリント材料 (ポリマー材料) の目録

eSUN 軽量 PLA が「消費者向け製品のアップグレードと革新に関するガイドライン (軽工業第 9 バッチ)」の推奨リストに選出されました。

3Dプリント業界の最高レベル、第2回「天宮カップ」構造最適化設計と付加製造コンテスト

ベルギーの企業がチョコレート3Dプリント市場に参入し、クラウドファンディングを開始

注意: 金属 3D プリントは防爆仕様である必要があり、チタンとアルミニウムの粉末は危険です

推薦する

中国第二航空科学産業研究所の3Dプリントセンターが積層造形の品質評価基準を発表

研究者は3Dプリントされたホログラムを使って普通のプラスチックにデータを保存している

AMS は、高価値の循環型経済材料を開発するために、ニコン SLM 280 第 2 世代金属 3D プリンターを購入

3DプリントのポストビッグIP時代では、私たちは白夜を歩くことになる

Air Up、3Dプリントのウォーターボトルで水の味を変える

IPGグリーンレーザーは、銅、金、銀などの高反射材料の3Dプリントに最適なツールです。その出力は最大1000Wです。

カーネギーメロン大学がマイクロスケール構造を作成するための自由形状3D氷印刷プロセスを開発

Nature サブ出版物: ホログラフィック直接音響印刷 (HSDP) 技術により、「生体内」または「壁を介した」印刷が可能に

3Dプリンティングは自動車産業の変革を加速させる

3Dプリントされたニッケルベースの電気触媒が効率的な水素発生を可能にする

ブラウン大学の博士が幅広い用途に使える生分解性3Dプリントハイドロゲルを開発

3Dプリントと彫刻アート、完璧です！

3Dプリンティング研究の世界的動向とホットなトレンドだが、今後は徐々に冷え込んでいくのだろうか？

カーボンファイバー/PEEK複合材料の3Dプリントにおいて重要な進歩がありました。

3Dプリント金属材料ステンレス鋼