先端科学：北京航空航天大学のロスダ教授のチームがマクログラフェン構造のその場3Dプリントを実現

南極熊の紹介: 3D プリントは、金型が不要、設計が迅速、成形が自由など独自の利点があり、多くの業界で製品の設計、検証、性能向上のための強力な製造方法となっています。人工知能やInternet of Everythingなどの最先端技術の導入により、3Dプリントの開発動向は徐々に構造物の機能化とインテリジェント化へと進んでいます。グラフェンは極めて優れた物理的特性と多機能性を備えており、3D プリントとの統合における重要な材料技術となっています。新世代のフレキシブルエレクトロニクス、ウェアラブルデバイス、バイオニックロボット、機能構造、その他の先進的なデバイス/設備のマルチシナリオアプリケーションに適合します。

しかし、現在のグラフェン構造の 3D プリントは、従来の液相アセンブリと気相成長に依存しており、複雑な処理、過酷な条件、成形サイズと形状の制限など、多くの課題に直面しています。
△3Dプリントグラフェンタービンブレード
2022年12月10日、南極熊は最近、北京航空航天大学のロスダ教授のチームがレーザー誘起グラフェン選択的付加製造技術（LIG-AM）を独創的に提案し、マルチフリーフォームグラフェンマクロ構造の設計、加工、機能応用を実現したことを知りました。関連する論文はAdvanced Science誌に掲載されました。
△図1. LIG-AM技術の(a)成形原理と(b)プロセスフロー図1に示すように、ロスダ教授のチームが開発したLIG-AM技術は、追加の接着剤や触媒を導入することなく、特殊な赤外線レーザーのみで特定のポリマー粉末原料の接続と炭化を同時に実現できます。この技術をポリマー粉末床の選択的な層ごとの処理に拡張すると、マクロ的なグラフェン構造の in-situ 3D 印刷が可能になります。同時に、この技術は、SLSやSLMなどの金属3Dプリント技術の利点と比較することができ、あらゆる複雑な形状の3Dグラフェンを迅速に準備することができます。

詳細な原則とプロセスは次のとおりです。詳細についてはビデオをご覧ください。

① 分散した粉末を印刷プラットフォーム上に広げます。
②レーザー照射により粉末とポリマーが融合し、ポリマーが単層LIGグラフェンに変換されます。
③ パウダーをさらに塗り重ね、再度レーザーを照射します。
④ この工程を繰り返すことで多層LIGグラフェン構造を得る。

△ ビデオ：LIG-AM によるタービン構造の作成プロセスフローチャート。図 2 は、ミリメートルレベルからデシメートルレベルまで拡張可能な一連の均一および可変断面構造と、複雑な格子および部品 (ギア、ブレードなど) 構造を示しています。さらに、LIG-AM 技術の独自の利点は、レーザーエネルギーを調整することで焼結ゾーンと炭化ゾーンを選択できることです。つまり、デジタルレーザー処理を通じて、グラフェン導電性内部チャネル、グラフェン表面パターン化導電経路などのポリマー/グラフェンハイブリッド構造をさらに準備できます。この研究は 3D プリンティングの分野にとって非常に大きな意義を持っています。

△図2。LIG-AMによる（a）均一断面、（b）可変断面、（c）混合、（d）複合部品の各種作製。加工上の利点に加え、LIG-AM技術はレーザーエネルギーをさらに微調整することで、密度（<50 mg/cm3）、比表面積（>400 m2/g）、引張強度（>7 MPa）、破断伸び（>200%）、電気伝導率（>45 S/m）、圧電抵抗感度（>90）、ジュール加熱温度（>200 ℃）など、グラフェン印刷構造の多物理的/機能的特性を最適化できることが報告されている。図 3 に示すように、LIG-AM の加工上の利点と優れた性能を活用することで、フレキシブルセンサー、ヒーター、スーパーキャパシタ、有機物コレクター、人工筋肉など、さまざまな機能デバイスを準備して、マルチシナリオアプリケーションを実現できます。

△図3. LIG-AMで作製したさまざまなデバイスとその多機能アプリケーション。LIG-AM独自のデジタル選択処理の利点と多機能グラフェンのin-situ形成技術を総合的に活用することで、将来の機器の選択機能同期積層造形の可能性が生まれるかもしれません。

図 4 は、LIG-AM を使用して一度に印刷された複数のグラフェン機能構造を含むスマート航空機翼モデルを示しています。翼の主構造は、低いレーザーエネルギーを使用して粉末原料のみを焼結し、高い強度（12.7MPa）を実現しています。翼にはグラフェンハニカムセンシング構造が埋め込まれており、さまざまな方向からの荷重をリアルタイムで監視できます。翼の前縁全体は、超疎水性とジュール熱特性の両方を備えたグラフェンで作られており、能動的な防氷と受動的な加熱除氷の効果を実現できます。翼の表面も薄いグラフェン構造になっており、700～800℃の高温に耐え、電磁波を90％以上吸収します。

△図4 LIG-AM技術で製造された翼モデル、(a)概念、(b)物理的ディスプレイとその鍵となる(c)スマートハニカム、(d)スマートリーディングエッジ、(e)スマートスキングラフェン構造。要約すると、本研究はデジタルレーザー加工に基づくグラフェン積層造形技術（LIG-AM）を革新的に提案し、マルチフリーフォームマクログラフェンのカスタマイズ製造を実現し、スマート材料と高強度材料の同期積層造形に新しいアイデアを提供し、将来のインテリジェントハイエンド機器の選択的機能同期製造に指針を提供することができます。

このプロジェクトは、中国国家自然科学基金（T2121003 & 61701015）、北京自然科学基金（3202017）、北京格研（BGI202015）、中国ポスドク科学基金（2021M700324）により共同で資金提供されました。

論文情報:

英語タイトル: レーザー誘起グラフェンによる自由形状構造の多機能 3D アーキテクチャの付加製造
著者全員の英語フルネーム: Fu Liu、Yan Gao、Guantao Wang、Dan Wang、Yanan Wang、Meihong He、Xilun Ding、Haibin Duan、Sida Luo*
ジャーナルの正式名称: Advanced Science
翻訳: 10.1002/advs.202204990
オリジナルリンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204990

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