サポートとしての液体? 「Additive Manufacturing」で液体と固体の共印刷3D印刷技術が紹介されました

Antarctic Bear の概要: マルチマテリアルジェッティング積層造形プロセスでは、モデル材料とサポート材料 (どちらもマイクロスケールの液滴) の両方を堆積して、3 次元 (3D) 部品を層ごとに構築します。この研究では、液体はマイクロチャネルから簡単に除去できる、あるいは作動流体として使用して印刷モデル内に永久に留まることができるため、サポート材料として独自の利点があることが示されました。しかし、複数の材料の液体と固体の共印刷のプロセスとメカニズムに関する詳細な理解が不足しているため、液体印刷の開発は制限されています。

2022年4月、アンタークティックベアは、コロラド大学ボルダー校機械工学部の研究者が液体と固体の共印刷の印刷原理を研究し、マイクロ流体デバイスを作成したことを知りました。この研究は、「マテリアルジェッティングによるマルチマテリアル 3D 流体デバイスの液体と固体の共印刷」というタイトルで Additive Manufacturing に掲載されました。この研究を詳しく見てみましょう。

この研究では、研究者らは「液体固体共印刷」というキーワードを提案しました。これは、マルチマテリアルジェッティングプロセスにおける凝固材料と非凝固材料の共堆積を指します。このプロセスでは、相変化インクなどの凝固材料は堆積後すぐに硬化し、せん断弾性率が急激に増加しますが、非凝固材料は堆積後も液体のままです。マルチマテリアルジェッティング 3D プリンティングの分野では、研究者はこれら 2 種類の材料を組み合わせ、液体を使用して、印刷されたマルチマテリアルオブジェクトから簡単に取り外したり埋め込んだりできるサポートを形成しました。この方法により、化学反応物質を直接堆積させることが可能になり、材料噴射積層造形における長年の課題である、3D プリント後の長く曲がりくねった内部チャネルをどのように洗浄するかという課題に対処します。研究者たちは、マルチマテリアルジェッティング液体固体共印刷技術により、流体論理回路、電気化学センサー、増幅器などの 3D モデルの小さくて複雑なコンポーネントを印刷できるようになると期待しています。

マテリアルジェッティング<br /> マテリアルジェッティング 3D プリンティングでは、インクジェット技術を使用して、微小スケールの材料の液滴を堆積します。その結果、さまざまな材料を堆積し、印刷プロセス中に高速な切り替えが可能になり、他の積層製造方法に比べてスループットが高くなり、大きな構築容量 (30 リットル以上が一般的) と 150 ミクロン未満のフィーチャサイズが実現します。その結果、流体回路が埋め込まれたソフトロボットや、マイクロ流体チャネルを備えたデバイス（ただし、大規模な手作業による後処理が必要）の製造に広く使用されるようになりました。積層造形において、マテリアルジェッティングは独自の機能を提供します。ピコリットル規模の異なるインクの液滴をほぼ同じ時間内に迅速かつ正確に堆積できるため、電気機械的特性と化学的特性が大きく異なる材料から、半導体や回路のアクティブコンポーネントなどの機械的勾配を持つ複合材料を形成できるほか、追加の組み立てを必要とせずに機能的な「その場で印刷された」オブジェクトを形成できます。したがって、これは、in-situ 印刷機能システム全体の統合および統合製造のための新しいアプローチを提供します。

液体と固体の共印刷の理論とメカニズム<br /> 一般的な Polyjet の方法論に従って、プロセスは、ビルドプラットフォームへの接着を促進するために剛性材料の最初の層を堆積することから始まり、その後、構造的な安定性と印刷された部品の均一なベースを提供するために、いくつかの層の固体サポートが続きます。次に、設計された幾何学的形状に従って感光性樹脂の液滴が堆積されます。通常のポリジェット印刷プロセスとは異なり、液体と固体の共印刷では非光硬化性材料が堆積されます (この研究では、研究者は Stratasys モデル洗浄液 (ここでは「液体」または「非硬化性液体」と呼びます) を使用しました)。

堆積される液体の量は、ピエゾ駆動電圧を変化させることによって制御でき、液体材料の過少または過剰の噴射（各液滴に堆積される液体の量がそれぞれターゲットボクセル体積を下回るか上回る場合として定義）が可能になります。液体が堆積されると、周囲の光硬化性材料（これも同時に堆積されます）によって閉じ込められ、液体と壁の相互作用が生まれます。キャッピング層（液体領域の上にある最初の光硬化性材料層として定義）に到達すると、光硬化性液滴が液体界面に堆積し、液滴と液体の相互作用を引き起こして、液体が材料噴射のサポート材料として機能するようになります。印刷プロセスはシミュレーション形式で表示され、印刷プロセス中の印刷された液滴の変化を明確に確認できます。

△液体-固体共印刷機構の模式図

△非凝固性液体衝撃の実験とシミュレーション

△マイクロスケール液体固体共印刷機構シミュレーション

△ マイクロスケールキャップ層シミュレーション

研究者らは、高速画像、CFD、実験を利用して、液体と固体の共印刷プロセスに関する基本的な理解と特性評価を行いました。液体と固体の共印刷プロセスは、液滴と液体の相互作用と液体と壁の相互作用に分解されます。液滴と液体の相互作用は、個々の液滴のスケール（感光性樹脂液滴が液体表面に衝突する）とシステムスケール（数十万の液滴が液体表面に衝突するキャップ層）の両方で研究されました。この研究では、Polyjet と Stratasys 樹脂の液体と固体の共印刷において、非硬化液体の表面張力が液体表面上のフォトポリマー液滴の光重合を促進し、固体材料層を形成することがわかりました。作動液と感光性樹脂の組み合わせを使用する場合、支配的な力のバランスは 4 つあります。（１）感光性樹脂の密度は非硬化性液体の密度よりも低く、表面張力は大きい。（２）感光性樹脂の密度は非硬化性液体の密度よりも低く、表面張力は無視できる。（３）感光性樹脂の密度は非硬化性液体の密度よりも高く、表面張力は大きい。（４）感光性樹脂の密度は非硬化性液体の密度よりも高く、表面張力は無視できる。

液体と固体の共印刷アプリケーション<br /> 流体回路が 3 次元に拡張されるにつれて、分岐チャネルや内部バルブなどの複雑な設計からサポート材料を除去することがますます困難になります。液体と固体の共印刷技術は、数時間で印刷でき、簡単に後処理できる、統合バルブを備えた平面および 3 次元の流体回路の製造を加速する手段を提供します。研究者らは、チャネル間に適度な圧力差を加えることでマイクロ/グリッド流体チャネルから液体を簡単に除去できるため、液体と固体の共印刷技術によって平面、3次元、およびマルチマテリアルのマイクロ/グリッド流体を実現できることを実証しました。

△印刷された平面マイクロ流体モデル

△3Dおよびマルチマテリアルマイクロ/グリッド流体モデル

研究者たちは、材料噴射を機能させるための材料として液体を使用しました。ここで、液体は、マイクロ/メソ流体チャネルの場合のように「犠牲オブジェクト」となることも、油圧ロボットやマイクロチャネル内の試薬など、印刷中にコンポーネントに永続的に組み込まれることもできます。これは、液体を支持材料として使用するメカニズムを説明し、シミュレーションと実験的方法を使用して液体と固体の共印刷プロセスを詳細に説明した最初の研究です。

詳細については、元の記事をダウンロードしてください：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102785

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