MIT: ガラスの低温 3D プリントにより、独自の光学的、電気的、化学的特性が得られます。

MIT: ガラスの低温 3D プリントにより、独自の光学的、電気的、化学的特性が得られます。
2022年6月、アンタークティックベアは、米国防総省の資金提供を受けたMITリンカーン研究所の研究者が、3Dプリントされたガラス物体を製造するための新しい低温法を提案したことを知りました。


△MIT 科学者による低温ガラス 3D プリントのワークフロー。画像はMITリンカーン研究所より。

従来のガラス 3D プリントでは、印刷と後処理のために部品を 1,000°C 以上の温度にさらす必要があります。この研究では、研究者らは従来の常識を打ち破り、 250℃で硬化する高充填のカスタムインクを開発しました。材料成分の入手しやすさと加工の簡単さから、研究チームは「ユニークな特性を持つガラス製品の大量生産を促進できる」と考えている。論文では、研究者らは、対応する機能を得るためにナノ材料(誘電体、金属、光学)が埋め込まれたさまざまな無機ガラスを印刷するように調整できるモジュラーシステムを紹介している。 研究者たちは、この多用途の材料プラットフォームをマルチ材料積層造形と組み合わせることで、さまざまな強力な微細構造システムを生成できると考えています。

ガラス 3D プリントにおける放熱の問題<br /> ガラス 3D プリントはまだ開発の初期段階にありますが、この技術は大きな可能性を示し始めており、従来のガラス加工で実現できるよりも複雑な形状が可能になります。 たとえば、マルチマテリアル技術を使用することで、研究者は機械的強度と屈折率の勾配を高めた光学レンズやマイクロ流体デバイスなどのコンポーネントを作成できます。 3Dプリント技術を使用することで、サブミリメートル単位の特徴を実現することが可能となり、特定の機能を備えたガラスを製造することも可能になりました。

3D ガラス印刷の原理は非常にシンプルですが、実際の操作では依然として多くの問題を克服する必要があります。ステレオリソグラフィー、2 光子リソグラフィー、または直接インク書き込み (DIW) でガラスを印刷する場合、安定したガラス構造を生成するために、堆積プロセス中と脱脂プロセス中の両方で高温条件が必要です。ただし、このプロセスでは特殊な耐火ギアの使用も必要であり、熱に敏感な材料と互換性がない可能性があるため、ユーザーの原材料の選択肢が制限されます。 研究者らは記事の中で、ガラスは他の付加製造材料と比較して生体適合性の改善や熱安定性の強化といった利点があるものの、現在一般的に使用されているガラス製造方法では依然として高温条件が必要であると指摘した。


△高充填ナノ複合材料。画像はMITリンカーン研究所より。

MIT における極低温製造<br /> 研究者らの低温代替案の中核は、カスタマイズされたナノ複合材料に基づいています。このインクは、導電性銀粒子とともにケイ酸ナトリウム溶液に埋め込まれた機能性ナノ粒子で構成されており、通常よりもはるかに低い温度で印刷できます。研究チームは、DIW の 3 軸 Aerotech ガントリー印刷システムを使用してこれを製造しました。

△ケイ酸塩インクをベースにした光学・化学カスタマイズガラス

いくつかの基本的な形状と構造を印刷した後、科学者たちは、その構造とインクバケットを機械の 2 つの独立した Z 軸に取り付けることで、コンデンサと抵抗器を作成できることを発見しました。これらの部品は高い安定性を示しました(ただし、光学的透明性は焼結部品よりも低かったです)。 その後の画像分析により、研究者らは、プロトタイプの抵抗器を使用してさまざまなトレース長を実現し、材料の誘電率レベルを調整して製造されたコンデンサの容量を変更できることも発見しました。バリウム、ストロンチウム、チタン酸化物から作られたコンデンサは最高の電力を持っています。

チームによれば、実験により、このプロセスは電子材料や統合マイクロシステムの製造に合わせて調整できることが示されたという。今後、科学者たちは、潜在的な用途をさらに拡大する方法として、製造された部品の光学的な透明度を向上させるための研究を継続する予定です。 研究者たちは、このケイ酸塩ベースの印刷方法が、多数の新しい高出力無線周波数デバイスに加えて、マイクロ流体化学反応器の製造を容易にする可能性があると考えています。


△MITリンカーン研究所。写真提供:MIT。

ガラス3Dプリント● ガラス3Dプリントのスタートアップ企業の一つであるGlassomerは、3Dプリントされたシリカナノ複合材料を準備してきました。2022年4月、この複合材料は室温で人間の髪の毛と同等の厚さのガラス部品に3Dプリントされました。


3Dプリントガラスサンプルと画像化結果


●2021年2月、フライブルク大学の科学者らはNanoscribe社と共同で、2光子重合3Dプリンティング技術を用いてシリカガラスの微細構造を印刷した。同様に、共同チームは、Glassomer 材料を使用することで、他の多くのガラス部品の表面粗さ (40 ~ 200 ナノメートル) よりもはるかに低い、わずか 6 ナノメートルの表面粗さを持つ複雑なオブジェクトを作成できることを発見しました。


正立マイクロレンズ


●3Dプリントガラスの分野におけるもう一つの大手研究会社は、Formnext 2021 Startup Challengeの優勝者であるNobulaです。同社のCEO兼共同創設者であるLiu Chunxin氏は、専用のガラス3Dプリンターとそれをサポートする原材料を2022年に市場に投入することを目指していることを明らかにしました。


100%充填3Dプリントガラス

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