新しい 3D 印刷技術: 超音波を使用して DSP サウンドで直接印刷します。

はじめに: 付加製造 (AM) 技術は、印刷材料と印刷プロセスの両方で発展を続けています。光と熱は、ポリマーの化学反応や物理的変化を促進するために AM で使用される主なエネルギー源です。したがって、AM プロセスで使用される材料は、ステレオリソグラフィー (SLA) や直接レーザー描画 (DLW) などの感光性樹脂、および熱溶解積層法 (FDM)16 や選択的レーザー焼結法 (SLS) などの熱可塑性フィラメントまたは粉末に限定されます。化学相互作用を支配するパラメータは、各分子のエネルギー、相互作用時間、および圧力によって決まります。既存の AM プロセスでは、光と熱による化学反応の潜在能力をパラメータ制御の面で十分に活用できていないと言えます。このため、研究者は新しい 3D 印刷技術を開発しました。それでは見てみましょう。

2022年6月、アンタークティックベアは、コンコルディア大学の研究者が超音波を使用して複雑で精密な物体を作成できる新しい直接音響印刷（DSP）技術を開発したことを知りました。彼らは「ダイレクトサウンドプリンティング」と題した研究をNature Communications誌に発表した。

ポリマーを重合または溶融/堆積する付加製造 (AM) プロセスでは、ほとんどの場合、光と熱で活性化される反応性成形が使用されます。 DSP は超音波活性化音響化学反応をベースとした非常にユニークな技術です。DSP は、キャビテーションバブル内に非常に高い温度と圧力、および高い加熱速度と冷却速度のホットスポットを生成することができますが、これは現在の積層造形技術では実現できません。研究者らは、DSP 技術を使用して、非常に局所的なキャビテーション領域で超音波化学反応を発生させ、熱硬化性材料であるポリジメチルシロキサンを使用して、さまざまな多孔性と 280 ミクロンの特徴サイズを持つ複雑な形状を印刷しました。
超音波3Dプリント

△DSPの原理と印刷モデル

DSP 3Dプリンティング
コンコルディアチームが提案する DSP 技術は、液体ポリマー溶液に浮遊する小さな気泡内の圧力変動によって引き起こされる化学反応に基づいています。これらの反応を起こすために、研究者らは振動する焦点式超音波を使用して、液体ポリジメチルシロキサン（PDMS）樹脂を固体または半固体の形に変換しました。研究チームはトランスデューサーを使用して超音波場を生成し、これが材料の殻を貫通して対象の液体樹脂を固め、その後プラットフォームまたは他の既に固められた物体上に堆積される。

超音波は液体内の微細な気泡内で極めて強力かつ短時間の反応を引き起こし、空洞内の温度が約 15,000K まで上昇し、圧力が 1,000 bar を超えます。反応時間は非常に短く、わずかピコ秒しか続かないため、周囲の材料に影響を与えません。希望する形状を作成するために、トランスデューサーは所定の経路に沿って移動し、液体をピクセルごとに固化します。超音波周波数の持続時間と使用する材料の粘度を調整することで、物体の微細構造を制御できます。

△超能動マイクロリアクター（UAMR）内部の多孔質透明印刷プロセス

チームは、DSP によって既存の技術では不可能な複雑な形状の部品が実現できるため、このアプローチは 3D 印刷業界の「ゲームチェンジャー」であると説明しています。「特定の周波数と出力の超音波を使用すれば、非常に小さく集中した化学反応ゾーンを作り出すことができ、そこで気泡が反応器として機能し、化学反応を促進して液体樹脂を固体または半固体に変換することができます」とコンコルディア大学の光学バイオマイクロシステム研究所の研究者であるモフセン・ハビビ氏は語った。

将来のアプリケーション<br /> コンコルディアチームによれば、 DSP テクノロジーの汎用性は、高度に専門化された高度な機器に依存する業界にとって極めて重要です。たとえば、PDMS はすでにマイクロ流体工学の分野で広く使用されており、医療機器やバイオセンサーを製造するには、制御された環境と高度な技術がメーカーに求められます。より広い医療分野では、この技術により、人間や動物の遠隔生体内 3D プリントの医療アプリケーションが可能になる可能性があります。 DSP は、この技術で使用される超音波が金属ケースなどの不透明な表面を貫通できるため、航空宇宙産業のエンジニアリングおよびメンテナンスアプリケーションにも適しています。その結果、この技術により、整備士は航空機の胴体の奥深くにある部品を修理できるようになる。これは、光活性化反応に依存する他の 3D 印刷技術では不可能なことである。研究者らは、この技術によってポリマーやセラミックスを含むさまざまな材料を印刷できることを実証した。次に彼らはポリマーと金属の複合材料を試し、最終的にはこの方法を使って金属を印刷したいと考えている。

△ DSPの潜在的な用途。画像はNature Communicationsより。

超音波印刷技術<br /> 微粒子操作における超音波の使用は新しい概念ではなく、過去には 3D 印刷の分野での応用において効果的なツールであることが実証されています。
●2021年3月、バース大学とブリストル大学の研究者らは、超音波を利用して粒子を所定のパターンに正確に堆積させるソノリソグラフィーバイオプリンティング技術を開発しました。

△音響リソグラフィー工程のレンダリング。画像提供：ブリストル大学

● 2020年、バイオテクノロジー企業mimiX Biotherapeuticsは、超音波を使用して生きた細胞を共鳴させて凝縮するcymatiX音響バイオプリンターを発売しました。

△cymatiX音響バイオプリンター。 mimiXからの画像

● 超音波は、2020 年に可変音響変位 (VAD) テクノロジーを発表した PostProcess Technologies などの企業によって後処理アプリケーションにも使用されています。 VAD は音響エネルギーを使用して、3D プリントされたポリマー部品から粉末を非破壊的に除去します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29395-1

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