「ネイチャーサブジャーナル」：マルチマテリアル 3D プリンティング研究における画期的な進歩！大容量の異種3Dオブジェクトの生成を実現

出典: EngineeringForLife

マルチマテリアル 3D プリンティングの需要が高まっており、さまざまな分野で、異なる特性や機能を備えた精密に配置された 3D オブジェクトの製造が必要とされています。デジタルライトプロセッシング (DLP) は、幅広い材料に対応する高解像度の高速 3D 印刷テクノロジーです。しかし、現在のマルチマテリアル転送方法では、残留樹脂を除去するために印刷された部品に直接アクセスする必要があるため、マルチマテリアル 3D 印刷は DLP にとって課題となります。最近、南方科技大学の葛奇教授のチームは、多機能異種物体の遠心マルチマテリアル3Dプリントに関する研究を実施しました。研究成果は、「多機能異種物体の遠心マルチマテリアル3Dプリンティング」というタイトルで、2022年12月24日に「Nat. Commun.」に掲載されました。

ここでは、構成、特性、機能がボクセルスケールでプログラム可能な大容量の異種 3D オブジェクトを生成するために、DLP ベースの遠心マルチマテリアル (CM) 3D 印刷技術を開発します。遠心力により非接触で効率的なマルチマテリアル切り替えが可能になり、CM 3D プリンターはハイドロゲル、機能性ポリマー、セラミックなどのさまざまな材料を使用して、大面積の異種 3D 構造 (最大 180mm×130mm) を印刷できます。デジタル材料、ソフトロボティクス、セラミックデバイスの製造において優れた能力を発揮しました。

図 1 CM 3D 印刷システムによって作成された異種 3D オブジェクトこの論文では、各材料ボクセルの空間配置を正確に制御することで、複数の特性と機能を備えた大容量の異種 3D オブジェクトを生成する DLP 遠心マルチマテリアル (CM) 3D 印刷方法を開発します。 CM 3D プリントシステムを使用すると、大容量の八角形トラス構造を直接製造できます。白と黒のユニットが空間内で交互に配置され、異なる材料間の遷移が明確で、明らかな材料汚染はありません。 CM 3D 印刷システムは、さまざまな特性と機能を持つさまざまな材料の印刷に適しています。血管系と同様に、赤血管は透明なハイドロゲルマトリックスに埋め込まれています。時間が経つにつれて、血管内の赤い「血液」は徐々に間質に拡散します。ケルビンフォーム構造、ミウラ折り紙シート、イオン伝導性（IC）八角形トラスなど。さらに、CM 3D 印刷システムは、セラミック、デュアルマテリアルケルビンフォーム構造の印刷も可能です。セラミックポリマー前駆体からなる構造は、焼結によって純粋なセラミック構造に変換されます。

図2 CM 3Dプリントシステムの動作原理
CM 3D 印刷システムは、「ボトムアップ」投影方式を採用しています。デジタル UV 光は、印刷プラットフォームの下に配置された UV プロジェクターから放射され、垂直に移動して各シートの厚さを制御します。印刷プラットフォームと UV プロジェクターの間には、2 つ以上のポリマー樹脂容器を支えるガラス板があり、水平方向に移動して対応するスライスに必要な樹脂を供給します。また、回転モーターが印刷プラットフォームを回転させて、マルチマテリアル変換プロセス中に印刷された部品に付着した残留樹脂を除去します。 CM 3D プリンティングシステムは、印刷された部品を高角速度で回転させることにより、マルチマテリアル切り替え中に残留樹脂を除去します。次に、回転時間と速度が残留樹脂の厚さ (hR) に与える影響を調べる実験を行いました。非常に柔らかいハイドロゲルを印刷する場合、角速度が速いと、印刷部分がひどく変形したり、損傷したりする可能性があります。したがって、柔らかいハイドロゲルを印刷する場合は、中程度の角速度を使用する必要があります。同じ回転速度と時間で、遠心力により複雑なパターンに付着した残留樹脂も効果的に除去できます。要約すると、残留樹脂を除去するプロセス中に、遠心力によって印刷された部品との直接接触が回避され、CM 3D 印刷システムは、より高い効率でマルチマテリアル構造を印刷できるようになります。

図 3 CM デジタル材料の 3D 印刷 2 つの材料間の遷移ズームに対する回転速度の影響を調べるために、直交する黒い線と白い四角形で構成されるグリッドパターンを印刷しました。最大回転速度は 6000 rpm です。この速度を超えると、組み立てエラーによって印刷プラットフォームの重量配分が不均一になり、印刷システムが激しく振動します。 6000rpmの回転を30秒間適用した場合、遷移ズームは約150μmでした。 2 つの材料を使用してより小型の回路基板を印刷するために、最大回転速度を 10,000 rpm まで上げることができ、これにより遷移ズームを 100 ミクロンまで減らすことができます。これは、他のマルチ材料 3D 印刷技術の遷移ズームよりも小さくなります。デジタル材料を印刷する機能により、2 つのベース材料のみを使用して、さまざまな場所で複数の機械的特性を示す単一の部品を設計および製造することが可能になります。この独自の機能は、さらに 4 次元 (4D) 印刷に適用され、さまざまなデジタル材料で手のひらと 5 本の指を形成し、その上にハイドロゲルの層を印刷しました。手を水中に 1 時間置いた後、ハイドロゲル層の膨張により、異なる弾性率により 5 本の指が異なる角度で曲がりました。手を6時間水に浸けておくと、ついに握りこぶしができました。

図4 マルチセンサー付きソフトアクチュエータのCM 3Dプリント
CM 3D 印刷システムは、曲げ、圧力、温度センサーがシームレスに統合されたソフト空気圧アクチュエーター (SPA) を直接 3D 印刷できます。 SPA 全体は、伸縮性エラストマー、硬質ポリマー、軟質ポリマー、導電性ハイドロゲル、ICE を含む 5 種類のポリマーを使用して、1 回の 3D プリントで製造できます。センサーは電気導体に接続されています。 SPA は、8 kPa の膨張圧力で 80° まで曲がります。曲げプロセスにより、曲げセンサーの抵抗が増加し、接触センサーの静電容量がわずかに増加し、SPA のブラダーが圧力センサーを圧縮しますが、温度センサーの抵抗は変化しません。硬い障害物が SPA の曲がりを妨げると、SPA に加わる接触力が増加し、膨張圧力の増加によって圧力センサーの静電容量が増加し、温度の上昇によって温度センサーの抵抗が減少し、圧力センサーの静電容量が増加します。ソフトロボットグリッパーが何もつかんでいないとき、アヒルをつかんでいるとき、オレンジをつかんでいるとき、曲げセンサーと圧力センサーはそれぞれ異なる反応を示しますが、温度センサーの抵抗は一定のままです。ロボットグリッパーが温かい物体や熱い物体をつかむと、温度センサーの抵抗がそれに応じて変化し、圧力センサーに対する温度の影響を解明することができます。

図5 セラミックポリマー構造 CM 3Dプリント
CM 3D プリンティングシステムは、セラミックとポリマーで構成された異種 3D 構造を印刷します。セラミック樹脂は、セラミック粒子をアクリル樹脂に混合して製造され、3D 印刷プロセス中に固体セラミックグリーンボディに変換され、アクリルエラストマー部分と強力な界面結合を形成できます。エラストマーとセラミックグリーンボディを直列に組み合わせたハイブリッド試験片の単軸試験では、試験片がエラストマー上で破断し、界面がエラストマーよりも強力であることが示されました。セラミックグリーンボディとエラストマー間の強力な界面結合を利用することで、懸濁液を含む複雑なセラミック構造を印刷できます。エンジニアリング部品の製造への影響をさらに実証するために、研究者らは、ベアリングが自由に回転できるようにローラーと内輪/外輪の間に隙間が必要なセラミックベアリングを設計しました。エラストマーは隙間を埋めるために設計され、印刷されています。焼結プロセスによりエラストマーが除去され、ボールベアリングが抵抗なく自由に回転できるようになります。さらに、タービン構造が印刷され、セラミックベアリングが金属シャフトとインペラを接続します。セラミックベアリングの摩擦が低いため、インペラは高速で回転できます。セラミックベアリングは耐熱性が高いため 650°C で動作し、熱伝導率が低いためシャフトの過熱を防ぎます。

要約すると、本論文では、遠心力を利用してマルチマテリアル変換プロセスによって生じた残留樹脂を非接触で洗浄する DLP ベースのマルチマテリアル 3D 印刷方法を開発し、ハイドロゲル、機能性ポリマー、さらにはセラミックなどの材料で構成された大容量の異種 3D オブジェクトを生成できるようになりました。印刷されたデュアルマテリアル構造の最大面積は180×130mmで、デュアルマテリアル遷移ズームの最小幅は約100ミクロンでした。 CM 3D 印刷システムは、独自の特性と機能を備えたさまざまなフォトポリマーの印刷に適しています。セラミックとポリマーを一緒に印刷することで、デジタル材料、シームレスに統合されたセンサーを備えたソフトロボット、独立したコンポーネントを備えたセラミック構造など、マルチマテリアル多機能構造とデバイスを作成できます。多機能異種オブジェクトおよびマルチマテリアル 3D プリントを作成する機能が大幅に強化されました。

ソース：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35622-6

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