Nature サブジャーナル: カールスルーエ工科大学がレーザー直接描画 (DLW) に最適な印刷パラメータを模索!

この投稿はCoco Bearによって2022-4-20 10:59に最後に編集されました。

はじめに: レーザー直接書き込み 3D 印刷技術は、超短レーザーパルスを使用して複雑な 3 次元モデルを製造する効果的な技術です。レーザー直接描画技術は広く使用されていますが、さまざまな機能を備えた高性能材料の設計と製造は依然として課題です。これらの材料は通常、高強度、高延性、カスタマイズされた機能を備えている必要があります。同時に、レーザー直接描画プロセスでは、小型モデルの製造において一定の困難も伴います。印刷プロセス中に印刷プロセスを観察することは困難です。

2022年4月、アンタークティックベアは、カールスルーエ工科大学（KIT）ナノテクノロジー研究所（INT）の研究者が「3D直接レーザー書き込みにおける機械的安定性の課題と限界」と題する研究論文をNature Communicationsに掲載したことを知りました。彼らは、分子動力学シミュレーション法を使用してレーザー直接描画 (DLW) プロセスをシミュレートし、印刷条件とアスペクト比が印刷されたポリマーネットワークの機械的特性に与える影響を研究することを提案しました。この研究では、印刷条件を変更することで印刷部品の機械的特性を調整でき、最適な印刷条件を使用することでより優れた機械的特性を持つ構造を製造できることが示されました。同時に、研究者らは、アスペクト比も印刷構造の剛性を調整する上で重要な役割を果たすと指摘した。

印刷されたポリマーネットワークの特性評価
モノマー変換率、すなわち組み込まれた官能基と官能基の総数の比率は、重合反応、特に DLW プロセスにおける重要なパラメータです。彼らはまず重合時間と暴露時間の影響を考慮しました。変換度（DC）のレーザー出力と照射時間への依存性を体系的に研究するために、研究者らは立方ポリマーネットワークを使用して実験とシミュレーションを実行しました。予想どおり、モノマー変換はレーザー出力が高くなるか、またはそれに応じて露光時間が長くなると増加し、高い書き込み出力で飽和に達します。実験結果によると、レーザー出力がモノマー変換度に与える影響は露光時間の影響よりも大きく、レーザー出力が低い場合、露光時間の方がモノマー変換率に明らかな影響を与えます。同時に、実験結果とシミュレーション結果のフィッティングによれば、提案されたシミュレーションモデルは、許容される偏差範囲内で DC の実験結果を定性的かつ定量的に再現でき、その後の実験の指針を提供できることがわかります。

△モノマー転化率の実験およびシミュレーション結果

研究者らは機械的特性を研究するために、異なるレーザー出力と一定の書き込み速度を適用して立方ポリマーネットワークを作製した。実験分析により、レーザー出力の増加により架橋密度が高くなることが示されています。適用されたレーザー出力では、モノマーの変換度が 49% から 75% に増加しました。研究者らは、応力とひずみの関係をシミュレートし、さまざまな書き込み条件下での応力-ひずみ曲線の傾きを計算することで、印刷されたネットワークの機械的特性を調査しました。その結果、レーザー出力が増加すると応力が増加することがわかりました。

△レーザー出力の影響 a 異なるレーザー出力で印刷された 3 次元ポリマーブロック (黄色の領域は架橋モノマーを表します) は、レーザー出力が 10 mW から 46 mW に増加すると架橋密度が増加することを示しています。b 異なるレーザー出力で印刷されたネットワークの応力 - ひずみ曲線。c シミュレーションと実験測定によるレーザー出力の関数としてのヤング率 (E)。

特定のアプリケーションでのパフォーマンスを向上させるには、印刷されたオブジェクトの機械的特性を調整する必要があります。
実験では、単一のオブジェクトを製造する際にレーザー出力を変更するよりも、書き込み速度を変更する方が簡単でした。印刷された物体の機械的特性に対する露出時間の影響を研究するために、研究者らは異なる露光時間（異なる書き込み速度）と一定のレーザー出力（46 mW）を適用して、立方晶ポリマーネットワークを作製しました。試験結果によると、ヤング率は暴露時間とともに増加し、これはモノマー変換度の増加による直接的な結果です。

△露出時間の影響

印刷されたポリマーロッドの剛性<br /> 研究者たちは、亀裂を引き起こす可能性のある外部荷重を受けたときに、異なるアスペクト比を持つポリマーネットワークがどのように動作するかを理解したいと考えました。そのため、80σ × 80σ × 240σ のモノマーセルに 10 ～ 50 mW の異なるレーザー出力を適用して、異なるアスペクト比 (長さ対直径比)、つまり 10σ、20σ、30σ、40σ の断面直径と 100σ の高さを持つナノロッドを製造し、テストしました。実験結果は、異なるレーザー出力における最大たわみと断面直径の関係を示しています。これは、適用されたすべてのレーザー出力において、断面の直径が増加するにつれてオフセットが減少することを示しており、アスペクト比が高い印刷物は剛性が低く、したがって柔軟性（変形可能性）が高くなることを示しています。レーザー出力が増加するにつれて小さくなります。この研究では、製造されたすべてのサンプルの最大変形時のひずみ分布も示しており、その結果、高アスペクト比構造の高ひずみ領域が破壊の始まりであることを示しています（レーザー出力に関係なく）。

△最大たわみ量と断面径の関係

△ひずみ分布シミュレーション図

高い機械的特性を持つ構造を製造するには、最適な印刷条件を採用する必要があります。研究者らは、DLW で高アスペクト比構造を製造する際の限界を強調したが、これは印刷条件を変更しても完全に克服することはできない。印刷物のアスペクト比が大きくなるにつれて、レーザー出力の影響はますます重要ではなくなります。ナノスケールで 3D 印刷プロセスを観察するための実験方法は限られているため、研究者らは、特に小さな特徴サイズの場合、微視的モデルによるシミュレーションが印刷条件の最適化に役立つ可能性があると提案しています。この研究は、あらゆるフォトレジストに拡張して、書き込み条件と構造がポリマーネットワークの機械的特性に与える影響を研究することができ、それによって実験回数を減らし、より多くの問題の解決策を提供し、プロセスの改善を模索することができます。

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/10.1038/s41467-022-29749-9

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