ハイドロゲルを注入した金属塩によるミクロンスケールの金属部品の 3D プリント

2022年12月1日、アンタークティックベアは、カリフォルニア工科大学のエンジニアが、既存のものよりも桁違いに小さい解像度を実現できる、純金属と多成分金属の3Dプリントの新しい方法を開発したことを知りました。研究チームによれば、ハイドロゲル由来の金属は高度に双晶化した微細構造と非常に高い硬度を持ち、先進的な金属マイクロマテリアルの製造への道を開くという。その論文はネイチャー誌に掲載された。

△チームの研究はネイチャー誌に掲載され、水ベースの化学と3Dプリントを使用したこの新しいプロセスについて「ハイドロゲル注入による微細構造金属の付加製造」と題して説明されている（ポータル）
この新しいプロセスは、さまざまな金属に使用でき、同じ製造部品に複数の金属を使用することもできます。ほんの少しの調整です。これは、微小電気機械システム (MEMS) 用の小型部品の製造への道を開く可能性を秘めています。将来的には、車両や宇宙用途の精密部品、熱交換器、生体医療機器などへの応用が考えられます。

△スイスの精密3Dプリンター企業Cytosurgeによるナノスケール3Dプリンター製品
技術的背景<br /> 3D プリンティングでは、構築オブジェクトが層ごとに作成されるため、従来の金属成形方法 (鍛造やインクジェット成形など) やエッチングやフライス加工などの減法プロセスでは作成できない構造を作成できます。現在の金属 3D 印刷プロセスでは、レーザーを使用して金属粉末を切断し、金属粉末を瞬時に溶かして特定の形状に固めます。このようにして、紙2枚の厚さにほぼ相当する約100マイクロメートルの解像度で構造を作成できます。

問題は、金属、特に銅などの熱伝導率の高い金属は熱伝導率が非常に高いため、レーザーを細かく焦点を絞っても熱が広がり、目的の領域外の粉末が溶けて、印刷可能な解像度が低下することです。

この研究は、スタンフォード大学のポスドク研究員マックス・サッコーネ氏が主導した。研究チームは、カリフォルニア工科大学のジュリア・R・グリア氏の研究室でこの新しい技術を開発した。金属を直接印刷する代わりに、金属を含む液体前駆体の足場となるハイドロゲルを3Dプリントしたのだ。現在、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の成田凱博士がカリフォルニア工科大学からこの新技術のライセンスを取得し、この技術を商品化するために3Dアーキテックという会社を設立している。

「従来の熱伝達プロセスに頼らない、構造物を印刷するための新しい方法を開発する必要がありました」とサコーネ氏は説明する。

「ハイドロゲルは、水に溶けない柔軟なポリマー鎖でできた材料で、ソフトコンタクトレンズなどの製品に使われています」と、彼は言う。「低出力の紫外線ランプからの光が液体ポリマーの化学反応を引き起こし、ポリマー鎖の架橋を誘発してポリマーを硬化させます。このプロセスを特定のパターンで何度も繰り返すと、希望する微細形状を形成できます。」

△顕微鏡レベルの解像度で3Dプリントされた銅構造
ハイドロゲル注入プロセスとその制御可能な「反応」
その後、カリフォルニア工科大学の研究者らは、3Dプリントされたハイドロゲル足場に水に溶かした金属塩を注入し、金属イオンが表面を覆うだけでなくハイドロゲルに浸透できるようにした。研究者らはその後、材料に応じて700〜1,100℃の温度に達する炉でハイドロゲルを蒸発させた。例えば、金属の融点がハイドロゲルの融点よりも高い場合、金属はそのまま残り、除去作業を完了することができます。

熱はハイドロゲルを除去するだけでなく、ハイドロゲルが燃焼するにつれて全体の構造を収縮させ、より微細な金属構造を形成します。このプロセスを通じて、チームは純金属に加えて、特徴サイズが約 40 ミクロン、つまり人間の髪の毛の幅の半分未満の金属合金や多成分金属構造も 3D プリントできます。

「この研究の素晴らしいところは、プロセスの『反応』段階を少し調整するだけで、幅広い金属に適用でき、マイクロスケールの材料工学に新たな可能性が生まれることです」と、ETH チューリッヒのポスドク研究員レベッカ・ガリバン氏は語る。研究チームはプロセスの開発中に、銅、ニッケル、銀、さまざまな金属合金でできた 3D プリント構造物を作成した。

この研究は、米国エネルギー省、レズニック持続可能性研究所、マサソン財団、カリフォルニア工科大学のAI4Scienceプログラムから資金提供を受けた。

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