サイエンス特集記事: 体積露光硬化 3D プリントガラス微細構造

南極のクマはじめに: ガラスは、小型の消費者向け製品のマイクロ光学デバイスから化学合成や生物学的分析のためのマイクロ流体システムまで、複雑な微細形状を製造するための材料としてますます必要とされています。ガラスのサイズ、形状、表面粗さ、機械的強度の要件が進化するにつれて、従来の処理方法は課題に直面しています。科学者らは、溶融シリカ部品のマイクロスケール計算軸リソグラフィー（マイクロCAL）を導入し、断層撮影照射とそれに続くフォトポリマーシリカナノ複合材料の焼結により、内径150ミクロンの3次元マイクロ流体、表面粗さ6ナノメートルの自由形状マイクロ光学系、最小特徴サイズ50ミクロンの複雑な高強度トラスおよび格子構造を作製した。

2022年4月16日、Antarctic Bearは、ガラス微細構造の体積光硬化3Dプリントに関する新しい研究「マイクロスケールの計算軸リソグラフィーによるシリカガラスの体積付加製造」がサイエンス誌の表紙に掲載されたことを知りました。カリフォルニア大学バークレー校の研究者によるこの方法は、より高速で、より高い光学品質、柔軟な設計、より高い強度を持つ物体を生産できます。

△3Dプリントされたガラス構造を米国の1セント硬貨の大きさと比較。画像提供：ジョセフ・トゥームズ
研究者らは、ドイツのフライブルクにあるアルベルト・ルートヴィヒ大学の科学者らと共同で、3年前に開発した3D印刷プロセス（計算軸リソグラフィー、CAL）に基づいて新たなブレークスルーを達成した。より洗練されたガラス構造を実現するために、研究者たちはこの新しいシステムを「マイクロ CAL」と名付けました。
△非常に滑らかな表面

彼らは、スマートフォン、内視鏡、小型の高品質カメラレンズ、微量の液体を分析または処理するためのマイクロ流体デバイスなど、複雑な微細物体の製造にはガラスが最適な素材であると考えています。しかし、現在の製造方法は時間がかかり、コストがかかり、工業化の需要の高まりに対応できない可能性があります。

△カリフォルニア大学が光学品質の高いガラス微細構造を印刷するビデオ。ジョセフ・トゥームズによるビデオ
CAL プロセスは、従来薄い層の材料を使用してオブジェクトを構築する既存の 3D 印刷方法とは根本的に異なります。この手法は時間がかかり、表面の質感が粗くなる可能性があります。ただし、CAL ではオブジェクト全体を一度に 3D プリントできます。
研究者らはレーザー光を感光性材料に照射して三次元光触媒を作成し、それを所望の形状に固化させる。 CAL プロセスではレイヤーマークが残らず、滑らかな表面と複雑な形状を実現できます。

Joseph T. Toombs他「マイクロスケール計算軸方向リソグラフィーを使用したシリカガラスの体積付加製造」、Science (2022)。 DOI: 10.1126/science.abm6459、記事を転送するにはここをクリック

「2019年にこの手法を初めて発表したとき、CALは約3分の1ミリメートルほどの小さなポリマーから物体を印刷することができました」と、主任研究者で機械工学教授のヘイデン・テイラー氏は語った。「現在、マイクロCALを使用すると、最小20μm、つまり人間の髪の毛の幅の4分の1のポリマーを印刷できます。また、この方法では、ポリマーだけでなくガラスも50μmの精度で印刷できます。

ガラスを印刷するために、タイロ氏と彼の研究チームは、感光性接着液に囲まれたガラスナノ粒子を含む特殊な樹脂材料も開発しました。その後、研究者らは印刷された物体を加熱して結合剤を除去し、粒子を融合させて純粋なガラスの固体物体を形成した。

△ジョセフ・トゥームズ氏は研究室でピンセットを使って3Dプリントされたガラスの微細構造を手に持っています。画像提供：ジョセフ・トゥームズ
「ここでの鍵となる技術は、接着剤の屈折率がガラスの屈折率とほぼ同じであるため、材料を通過する際に光がほとんど散乱しないという点です」とテイラー氏は語った。

主執筆者のジョセフ・トゥームズ博士とテイラー研究室の学生を含む研究チームは、CAL 印刷されたガラス物体は従来のプロセスよりも一貫した強度特性を持つことも発見しました。「ガラス製品に欠陥やひび割れが多かったり、表面が粗かったりすると、割れやすくなる傾向がある」とテイラー氏は言う。「したがって、より滑らかな表面を持つオブジェクトを作成できることは、他のレイヤーベースの 3D 印刷プロセスと比較して、大きな潜在的な利点です。」

△3Dプリントされた六角形マイクロレンズ電子ディスプレイの写真。画像提供：ジョセフ・トゥームズ
CAL 3D 印刷方法は、マイクロガラスオブジェクトの製造業者に、形状、サイズ、光学的特性、機械的特性に関する顧客の厳しい要件を満たす新しい、より効率的な方法を提供します。「より複雑な新機能や低コストの製品をより迅速に顧客に提供できる」とテイラー氏は語った。

ネイチャーのビッグニュース：X線クロスレイ写真ボリューム3Dプリント技術、Xolographyはサポートを必要としません

2020年12月23日、Antarctic Bearは、トップジャーナル「Nature」に「Xolo graphy for linear volumetric 3D printing」と題した論文が掲載されたことに気づきました。これは、X線体積3Dプリント技術とも言えます。この記事は、ドイツのブランデンブルク応用科学大学のマーティン・レーゲリー氏とフンボルト大学のシュテファン・ヘヒト氏によって執筆されました。この技術により、最大 25 ミクロンの特徴解像度と毎秒 55 立方ミリメートルの硬化速度で物体を 3D プリントすることが可能になります。

△X線クロスレイ写真ボリューム3Dプリント原理

Xolography は、光スイッチ可能な光開始剤を使用して、異なる波長の交差する光線で感光性樹脂を直線的に励起することにより、特定のモノマー体積内で感光性樹脂の局所的な重合を開始するデュアルライト技術です。科学者たちは、体積プリンターを使用してこの概念を実証し、複雑な構造的特徴と機械的・光学的機能を備えた三次元物体を印刷しました。最先端の体積 3D 印刷方法と比較すると、この技術は、フィードバックフリーの最適化された計算軸リソグラフィーよりも約 10 倍高い解像度と、2 光子重合 3D 印刷よりも 4 ～ 5 桁高い体積生産速度を備えています。
△実写映像：X線クロスレイ撮影ボリューム3Dプリント技術

ボリューム 3D プリントは、文字通り劇的に高速な、まったく新しい形式の 3D プリントです。透明な樹脂の内部にさまざまな角度から光の画像を投影する仕組みです。繰り返し露光することで、3D オブジェクトが樹脂タンク内で非常に速い速度で固まります。

Antarctic Bear 3D Printing Network がさらに素晴らしいと感じるのは、ドイツのベルリンの科学者たちがこの技術を基に xolo という会社を設立し、商品化しようとしていることです。成功すれば、体積 3D プリンティングは、既存の 3D プリンティング技術、特に SLA、LCD、DLP 光硬化プロセスと非常に競争力を持つようになります。

X線クロスレイ写真のボリューム3Dプリント技術の原理

△X線撮影ボリューム3Dプリントサンプル、対象物は樹脂タンク内で直接固化されます

1 つの樹脂槽に、2 つの異なる波長の放射線が適用されます。最初の波長は領域を「活性化」し、次に 2 番目の交差波長によって活性化された樹脂が重合して固まります。あるいは重合を阻害する可能性もあります!

どのように機能しますか?結局のところ、Xolo の手法は、透明な樹脂の容器に「光線シート」を投影するというものである。「シート」はレイヤーによく似ていますが、さまざまな角度があり、他の 3D 印刷プロセスのように積み重ねてオブジェクトを 3D 印刷するわけではありません。一定の厚さの長方形の光が一定量の粘性樹脂を照らします。光の波長は、分子の骨格に沿って分子リングを切断することによって、デュアルカラー光開始剤 (DCPI) と呼ばれる分子を活性化するように選択されます。この反応は光の円内でのみ発生します。

2 番目のビームは 3D オブジェクトのスライスされた画像を投影し、樹脂材料の凝固を促します。 2 番目のビームは最初のビームとは波長が異なり、励起された DCPI 分子によって樹脂が重合し、シートが硬化します。次に、樹脂は固定された光シートの位置に対して移動されます。これにより、樹脂内の光シートの位置が変わり、活性化と誘導のプロセスが新しい場所で再開され、オブジェクトが少しずつ構築されます。プロジェクターは固定位置にあり、バットが回転してさまざまなビューを表示します。科学者たちは次のように説明しています。

「直交配置されたプロジェクターが第 2 波長の光を生成し、3D モデルの断面画像を光シート平面に焦点を合わせます。活性化された開始分子のみがプロジェクターからの光を吸収し、現在の層を重合させます。固定容積の光学セットアップによる樹脂タンクの同期移動中に白黒画像のビデオを投影することで、3D モデル部品を連続的に製造できます。」

「ライトシート」アプローチにより、プロセス全体を通じて特定のボクセルが硬化光に一度だけさらされることが保証されます。これにより、投影時に 0.021 mm 四方のピクセルをレンダリングするように光学システムが調整されるため、印刷の精度が非常に高くなります。

△X線クロスレイ撮影ボリューム3Dプリンターコアコンポーネントモジュール

レーザーシステム: 405nm ダイオードレーザーがレーザーラインに変換され、レンズによってコリメートされて均一な薄い光シートが生成されます。光シートの厚さによって Z 解像度が決まります。

プロジェクター：作成する3Dモデルから取得したスライス画像を映像化し、ライトシートに集光します。コンテナがプロジェクターから離れると、プロジェクターは可視光を放射し、焦点を維持します。 x 方向と y 方向の解像度は、プロジェクターの解像度と目的のオブジェクトサイズによって異なります。

放射線撮影：交差したビーム（x）により、物体全体（全身）が撮影されます。それはX線写真と呼ばれます。特定の波長の光のシートが光開始剤の薄い層を活性化します。直交配置されたプロジェクターは、3D モデルの断面画像を光シートに投影します。開始分子のみが光を吸収し、重合を開始します。投影は移動する樹脂の体積とスケーリングと同期し、3D プリントが可能になります。

サポートフリーの光硬化3Dプリント

Antarctic Bear は、多くの読者が「支持構造はどうなっているのか?」という疑問を持つだろうと考えています。モデルがどんなに複雑であっても、X 線ステレオリソグラフィー 3D 印刷技術ではサポート構造は必要ないことがわかりました。これは、印刷ジョブの緩んだ部分が周囲の粘着性樹脂によって一時的に支えられるためです。

Xolo 氏は、感光性樹脂材料のモノマーの架橋により密度が変化し、重力下での部品の沈下速度が異なると説明した。印刷速度が速く、樹脂の粘度が高いため、この影響は最小限に抑えられ、部品の沈みは製造が完了した後にのみ目立ちます。 ”

信じられない！

X線フィルムの体積3Dプリントの速度

では、X 線ボリューム 3D プリントはどのくらいの速さで実行できるのでしょうか?論文では、2光子3Dプリンティング技術よりも10,000～100,000倍高速であることが示されています。さらに、2光子技術では非常に小さな物体しか印刷できず、印刷速度も非常に遅いです。しかし、X線体積3Dプリンティングでは、1時間あたり約1リットルの材料を3Dプリントして硬化させることができます。より強力なレーザー光源とより微細な樹脂を使用すれば、印刷速度は大幅に向上します。

科学：革命的な「体積3D印刷技術」が数十秒で肖像画を印刷

2019年2月、世界トップクラスの学術誌「サイエンス」に「 Volumetric Added Manufacturing via tomographic rebuild.PDF 」という画期的な論文が掲載されました。わずか数十秒の光照射で、完全な人物肖像画を印刷できるのです。

Antarctic Bear は初めて見て、この技術の原理が実は非常に単純であると感じました。

△まず、感光性樹脂液材料をカップに入れ、DLP光源を使用して体積露光し、ターンテーブルでカップを回転させ、指定された位置で樹脂を固めます。

△動作原理は、X線管が患者の周りを回転して体の内臓の写真を撮影する逆CTスキャンに似ています。コンピューターはこれらの投影を使用して 3D 画像を再構築します。 3D オブジェクトのコンピューターシミュレーションの場合、研究者はさまざまな角度からオブジェクトの形状を計算し、その結果得られた 2D 画像を通常のスライドプロジェクターに送ります。プロジェクターは、合成樹脂であるアクリルが入った円筒形の容器に画像を投影します。プロジェクターが全周をカバーしながら画像を回転すると、コンテナも対応する角度で回転します。「シリンダーが回転すると、どの位置でも受ける光の量を個別に制御できます」と、カリフォルニア大学バークレー校の電気技師テイラー氏は語る。「光の総量が一定値を超えると、液体が固体に変わります。」

△樹脂内の化学物質が光子を吸収し、吸収された光子が一定の閾値に達すると、アクリレートが重合して固体プラスチックを形成します。残った液体は除去され、固体の 3D オブジェクトが残ります。数十秒後、カップの中に人間の姿が3Dプリントされました。このスピードはすごいですね！ Carbon 社の CLIP 連続液体表面印刷技術よりもはるかに高速です。カップを回転させることによりオブジェクトを印刷できます。

△「ボリューム3Dプリント技術」の核となる考え方

△コア数式
このシステムの核となるのは CAL アルゴリズムであり、実際に印刷を完了するのは容易ではありません。まず、2D フーリエ変換を含む 3 次元モデルを再構築する必要があります。次に、感光液の投与量などを最適化する必要があります。印刷プロセスでは、酸素阻害、光場干渉、3D 空間と 2D 投影間の変換マッチングなどの問題も発生します。

△「立体3Dプリント技術」で作られたその他のオブジェ

論文「断層像再構成による体積付加製造」（Science 2019年1月31日; eaau7114; DOI: 10.1126/science.aau7114）の著者は、カリフォルニア大学バークレー校とローレンス・リバモア国立研究所の研究者です。

上記の論文が発表された後、北京の南極熊ファンである呉翔さんは非常に興奮し、すぐに南極熊に苦情を申し立てました。この論文の著者は2015年に申請した特許を盗作しており、すでに中国、米国、ヨーロッパで特許を申請していました。

△特許「投影計算と逆投影法を用いた画像形成方法」、国際出願番号：PCT/CN2016/080097、出願人：呉翔 WU, Xiang [CN/CN]; CN

特許概要: 投影操作と逆投影法を使用して、2 次元または 3 次元の実画像を生成します。また、実画像を使用して2次元表示、3次元表示、2次元印刷、3次元印刷を完了することも含まれます。フラットパネルディスプレイ、3D立体ディスプレイ、印刷技術、ラピッドプロトタイピング、積層造形、3D印刷の分野に属します。この方法は、コンピュータ断層撮影 (CT) 技術における投影データ取得および逆投影再構成法に似ています。コンピュータ断層撮影 (CT) 技術は、実際の物体の投影データの取得とデジタル断層画像の再構成を完了し、物理的な物体を仮想データに変換します。投影操作は投影データ取得の代替として使用され、現実的な逆投影法はデジタル逆投影再構成法の代替として使用され、仮想データを実際のオブジェクトまたは実際の画像に変換します。使用される投影光線には、光、電磁波、高エネルギー光線、粒子流、音波、衝撃波、電流、化学波などがあります。

南極熊：現在特許を申請中なので、まだすべてが保留中ではないかと聞かれました。どうして相手が盗作したと言えるのでしょうか？
呉翔：このような質問を聞くと、法律に少し詳しい友人も驚いて叫びます。この場合、懸念されるのは著作権です。最初から特許権から独立しています。また、特許権も怠らず、必ず取得してまいります。特許文書は文書ではないと誤解してはならないことに注意が必要です。逆に、論文を書く際に特許文書を盗用することも盗用になります。

Antarctic Bear: どのプラットフォームに投稿しましたか?
呉翔：私たちは当初からこれを技術革新として扱ってきました。法的保護の解決策を求める場合、当然ながら特許を登録することが選択肢となります。現在、米国特許商標庁、中国国家知識産権局、欧州特許庁、世界知的所有権機関のデータベースには、関連する論文が出版されるずっと前から、私たちの特許文書が一般に公開されています。

アンタークティック・ベア：この技術の特許を取得した後、国内または海外の購入者に特許を譲渡する予定はありますか？
呉翔：はい、市場経済においては、特許も合法的に取引される商品であり、交渉がうまくいけば取引が成立する可能性もあります。外国人は私の功績を評価して買ってくれるのです。実は、申請段階で譲渡することが可能であり、それが今なのです。もちろん、あまり安く売るつもりはありません。私はかつてこれを宣伝して、151億ドルだと言いました。それを真剣に受け止めるかどうかはあなた次第です。

南極熊：その高さはどうやって決めたのですか？
呉翔：史上最高の取引実績に基づいて決定されます。 150億ドル、DNAに関連した特許技術だという印象です。

南極のクマ：なぜこんなに背が高いのですか？そんなに力強いのですか？
呉翔：私たちは特許文書に上位概念を書き留めました。光硬化性樹脂だけでなく、食品、鉄鋼、氷、化粧品、建築材料などもすべて特許請求の範囲に含まれます。可視光線や紫外線だけでなく、粒子の流れ、ベータ線、アルファ線、ガンマ線、超音波、衝撃波なども特許請求の範囲に含まれる。

Antarctic Bear: 特許の中核構造図をいくつか提供していただけますか?
呉翔：特許登録時に図面を提出しなかったことは既成事実です。特許法では、図面は審査要素ではないと規定されています。写真があるかどうかは、この盗作事件の核心ではありません。論文中の構造図を取り出してみれば、それらはすべて特許請求の範囲内であり、反論の余地がないことがわかります。
論文の著者が主張に従って構造図を描いたことは明らかです。完全な盗難です。

Antarctic Bear: Science に掲載された論文のどの部分が特許文献から盗用されたと思いますか?
呉翔：これは革新的なアイデアの完全なコピーです。この事件に関わった著者らには全く創造性がない。盗用された部分を除けば、論文の残りの部分は既存の知識の単なる追加であり、創造的な作業を構成するものではありません。当社の特許文書には上位概念と下位概念が含まれており、投影光と光硬化樹脂を完全にカバーし、透明容器と回転装置が含まれており、CT技術の逆投影法が実際の重ね合わせに使用されていることを明確に指摘しています。この点が盗用されれば、この論文は何の意味も持たなくなる。

2015年に特許を申請した発明者の呉翔氏は、論文の著者らが特許文書を盗用し、革新的なアイデアをコピーしたと直接指摘した。ジャーナルが発行されるずっと前から、中国語と英語を含む特許文書が提出され、公開されていた。複数の国の特許データベースに記録されています。サイエンス誌の編集者と著者は学術的および法的義務を果たせなかった。

この記事に関連するデータ

原著論文 http://science.sciencemag.org/co ... nce.aau7114/tab-pdf
CN108604047A.pdf (38.64 KB、ダウンロード数: 483)
中国発明特許出願明細書 CN201510371689.3 が申請した関連特許明細書 - 投影計算および逆投影 3D 印刷.pdf (313.05 KB、ダウンロード数: 480)
投影計算と逆投影法を用いた画像形成および整形方法の特許出願状況投影計算と逆投影法を用いた画像形成および整形方法の特許出願状況.pdf (206.05 KB、ダウンロード数: 430)
米国論文の著者が出願した特許: (WO2018208378) 3D ADDITIVE MANUFACTURING のための計算軸方向リソグラフィー (CAL) のシステムと方法 3D ADDITIVE MANUFACTURING のための計算軸方向リソグラフィー (CAL) のシステムと方法.pdf (264.95 KB、ダウンロード数: 409)

ウー・シアン氏の控訴が認められれば、『サイエンス』誌とバークレーの博士論文著者数名は困った状況に陥ることになる。 Antarctic Bear はこの件について引き続き最新情報と報告を続けます。