カリフォルニア工科大学が新たな高精度金属3Dプリント技術を開発：ハイドロゲル注入に基づく光重合

この投稿は warrior bear によって 2022-10-28 21:12 に最後に編集されました。

2022年10月28日、アンタークティックベアは、カリフォルニア工科大学カブリナノサイエンス研究所のジュリア・グリア教授とグリアチームが、新しい高精度金属3Dプリント技術を開発したことを知りました。この技術はハイドロゲル射出成形技術に基づいており、特徴サイズが約100ミクロンのさまざまな微細金属部品の成形に使用できます。
関連する研究結果は、マックス・A・サコーネとレベッカ・A・ガリバンが執筆した「ハイドロゲル注入によるマイクロ構造金属の付加製造」と題する論文としてネイチャー誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05433-2
グリア氏のチームは長年、積層、ナノテクノロジー、バッテリー、その他の新素材、そして3Dプリントのプロセスに取り組んできた。ハイドロゲル由来の材料も、チームが長年研究してきた新しい分野です。
△ジュリア・R・グリア教授
ハイドロゲルを使用した金属部品の 3D プリント<br /> 一般的に、ハイドロゲルの 3D プリントでは、主にバット光重合プロセスを使用して構造を生成します。これらの構造に金属またはセラミックの前駆体が充填され、反応して最終的な金属部品になります。以前、グリア氏のチームは金属酸化物、特に酸化亜鉛と電極の製造に関する研究を行っていた。通常、研究者は標準的なプリンターと材料を使用して、デジタル光処理 (DLP)、ステレオリソグラフィー (SLA)、マスク SLA (mSLA) などの確立されたいくつかの光重合プロセスを使用して部品を成形します。
チームは、引き続きバット光重合技術 (主に DLP) を使用してハイドロゲルを 3D プリントし、その構造に金属前駆体を充填して焼結します。この熱処理により、金属部品が生成されます。研究チームは、非常に高い硬度を持つ、大きさ約40マイクロメートルの物体を作成したと述べている。さらに研究者たちは、この材料を微調整して多面的な部品にすることもできると考えている。
研究者がテストに使用した 3D プリントされた格子構造は、約 50 ミクロンのサイズの光スポット硬化を使用して作成され、特徴サイズが 100 ミクロンの硬質部品が生まれました。研究者らは、ニッケル、銀、銅、さらに成形が難しい耐火金属の組み合わせであるタングステンとニオブを研究した。銅やコバルトなどの材料を混合することも可能です。この研究のユニークな点は、ハイドロゲル段階から始めて、異なる金属塩を異なる領域に配置し、同時に焼結できることです。興味深い点としては、剛性が予想よりも 47% ～ 15% 高いように見えることです。これは、今後の開発の課題となる可能性があります。一般的に、焼結プロセスを制御する必要があり、多くの形状の工業化には少し難しい場合があります。収縮率は約 60% で、形状とプロセス制御も制限されます。

小型部品の間接金属 3D プリント<br /> この間接的な金属 3D 印刷技術は標準的な化学物質を使用し、新しい機械やセットアップを必要とせず、非常に低コストです。顧客は必要な設備とある程度のプロセス知識を持っているため、この技術を迅速に導入できる可能性があります。Arkema や Stratasys などの材料メーカーも、このプロセスのさらなる推進を強力にサポートします。多くの側面を組み合わせることで、この技術の工業化を促進できます。さらに、バット光重合法を使用することで、精密で微細なディテールや特徴を生み出すという点で、この技術を「活用」することができます。結果として得られる部品は小型かつ精密であり、おそらくこの技術はマイクロチャネルグリッドコンポーネントを作成するための非常にコスト効率の高いオプションになる可能性があります。
この技術に類似した研究としては、直接書き込み 3D プリントや 2 光子光重合などがあります。この技術を適用することで得られるもう 1 つの効果は、バット光重合部品が炭化されて良好な導体になることです。ここでの硬度、耐火材料、薄い梁の格子要素に関する詳細は、全体的な文脈の中でおそらく独特なものでしょう。
さて、これに似た技術は他にもあります。たとえば、HoloAM、MetShape、Incus、Lithoz では、「スラリー SLA」と呼ばれる光硬化技術を使用しています。この技術では、樹脂に金属粒子をあらかじめドープし、バット光重合システムを使用して印刷します。その後、部品は型から取り出され、焼結されます。もちろん、これには多くのステップが必要であり、スラリー SLA の部品サイズは大きくありません。焼結により収縮の問題が発生する可能性もあります。ただし、特定の形状の場合、スラリー SLA では、非常に優れた内部表面テクスチャを備えた詳細な部品を生成できます (樹脂がサポートされており、洗い流すことができるため)。やや大きめの部品の場合は、バインダージェッティングという選択肢もあります。これは、それ自体が大量生産が可能で安価な技術です。ロストワックス鋳造やバット光重合法も検討できます。小さな部品の場合、材料の押し出しや粉末床溶融結合は考慮されないかもしれません。ただし、ここで競争力を持つ可能性のある微細加工技術と印刷技術がいくつかあります。

これらすべてのテクノロジーは、数十億の最適化されたサブセンチメートルからサブマイクロメートルのコンポーネントが製造、電子機器、医療、産業用途で機能できる、潜在的に非常に競争の激しい分野をめぐって競争しています。この問題を解決した企業が達成できる成果は驚異的なものとなる可能性があります。 MOSFET、ヒートシンク、電子部品、アンテナ、バッテリー、センサーなどのデバイスは、数百万、あるいは数十億の部品を生成する可能性があります。
これを実現するには、適切な形状を適切な仕様で適切な価格で製造できる必要があります。マトリックス構造、フィルター、TPMS フィールド、メッシュ、フレキシブルバッテリーなどのアプリケーションは、他のテクノロジーと比較して、このテクノロジーを使用して 3D プリントするのが最適です。小さくても強力な格子は、この技術に適した用途となるでしょう。もちろん、まずは工業化される必要があり、そのためには新たな設備が必要です。これはまだ初期段階ですが、非常に実りあるアプローチになる可能性があります。

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