インク直接書き込み3D印刷技術の最小フィラメント径はわずか50umで、柔らかいシリコン素材の最高解像度の記録を樹立しました。

出典: ディープテック

「2021年に私は指導教官の農場を訪問しました。彼は太陽光発電所を指差して、自分の会社が製造したものだということを誇らしげに話しました。農場での電池電極の印刷準備には、導電性銀ペーストの研究チームの成果が使われました。実際、私が研究の方向を選んだときから、指導教官は私に、ポリマー材料の加工を研究する際には成功を急がず、最終的な応用に導かれるようにと警告していました」と、BITの博士課程修了生である王一蓮さんは語った。

写真 | 王一良（出典：王一良）

報道によると、彼は山東省臨沂市出身で、現在はドイツのカールスルーエ工科大学でソフトマテリアル3Dプリントの研究を行っているという。

2022年、王一良はパラフィンを含んだ柔らかいシリコンベースのインクを開発しました。パラフィンの固液相変化を制御することで、インクのレオロジー特性を素早く調整することができます。

図 | 高解像度のソフトシリコン構造の高速インク直接書き込み 3D プリント (出典: Advanced Materials)

さらに、押し出しニードル部分にマイクロ温度制御ユニットを追加することで、従来のインク直接書き込み3Dプリントシステムを改良しました。押し出し圧力、印刷速度、ニードル温度を制御することで、インク押し出しの微調整と精密な印刷を実現できます。

特定の条件下では、システムは最大 3100mm/分の高速印刷を実現でき、得られる印刷フィラメントの最小直径はわずか 50um で、これは柔らかいシリコン材料の直接書き込み 3D 印刷の最高解像度の現在の記録です。

2月17日、この論文は「相変化を利用したソフトシリコンへの高速高解像度直接インク書き込み」というタイトルでAdvanced Materialsに掲載されました。

図 | 関連論文（出典：Advanced Materials）

ソフトシリコンは、柔軟性、弾力性、絶縁性、生体適合性、化学安定性、熱安定性に優れたポリマー材料です。さまざまな高級シール、ソフトモールド、電子ポッティングコンパウンド、医療機器などの製造に広く使用されています。ソフトロボット、フレキシブル電子デバイス、インプラントデバイスの分野で大きな応用可能性を秘めています。

現在直面している問題の一つは、架橋されていないソフトシリコーンは粘弾性液体であり、一般的には鋳型を用いた三次元成形で加工されるが、この方法で得られる製品の空間分解能と三次元構造の複雑さは低く、マイクロハイエンドフレキシブルデバイスへの応用には限界があるということである。

3D プリント技術の助けを借りて、複雑な 3 次元構造を持つマイクロオブジェクトを迅速に製造できます。ソフトシリコン材料の 3D プリントでは、粘弾性液体ソフトシリコンの硬化と成形をどのように実現するかが鍵となります。

現在、ソフトシリコンの 3D プリントには、光架橋印刷と押し出し印刷という 2 つの主な方法があります。前者は、光誘起架橋を利用して液体シリコーンの急速な凝固と成形を実現しますが、この方法はコストが高く、含まれる感光性基は潜在的に生物学的に有害であり、複数の材料を同時に迅速に製造することは困難です。

後者は設備が簡単でコストが低く、使用される柔らかいシリコンベースのインクはさまざまな機能性材料に対応できます。しかし、前駆体の粘弾性と低弾性率のため、高解像度のソフトシリコン構造の押し出し 3D プリントには依然として大きな課題が残っています。したがって、柔らかいシリコン材料向けの新しいインク直接書き込み 3D 印刷技術を研究することは非常に重要です。

フレキシブルデバイスのパーソナライズされた迅速な製造に使用可能

王一良氏のチームは、ドイツのカールスルーエ工科大学のノルベルト・ヴィレンバッハー教授が率いる機械プロセス工学および力学研究所に所属しており、複雑な流体のレオロジーに関する深い知識を持ち、長年にわたり導電性銀ペーストや固体・液体・液体の三成分毛細管現象ペーストの研究に携わってきました。

王一良氏はチームの経験に基づき、さまざまな材料で構成された高空間解像度のソフトマイクロ構造が、さまざまなフレキシブルデバイスやソフトロボットにとって重要であることを発見しました。そこで、彼は基礎から始めて、ソフト構造の高精度3Dプリントの研究を行うことを決意しました。

研究開始当初、彼はさまざまな柔らかいポリマー材料を調査し、最終的に高温での溶解や溶剤処理なしで加工・成形できる柔らかいシリコンを選択しました。しかし、柔らかいシリコンは架橋する前は液体で非常に流れやすく、印刷された構造は崩れてしまいます。

一般的な解決策は、固体粒子を追加して支持ネットワーク構造を形成し、印刷されたインクにせん断減粘特性を与え、高せん断力下ではインクが押し出されて流れ、低せん断力下では固まるようにすることです。しかし、固体粒子を大量に添加すると、柔らかい材料の硬度が増し、インクが小口径の針を通過しにくくなります。また、固体粒子の添加量が少ないと、印刷構造の安定性が保証されません。

この目的のために、王一良氏は、インク内の一部の硬い固体粒子の代わりに相変化パラフィン粒子を使用し、針の温度を正確に制御できる新しい3D印刷システムHOT-DIW（高温動作直接インク書き込み）と組み合わせて、インクのレオロジー挙動の迅速な調整と高解像度のソフトウェア構造の3D印刷を実現しました。

具体的には、インクが高温のプリントヘッドを通過すると、パラフィンの固液相変化により弾性率と降伏強度が低下し、インクが流れやすく押し出されやすくなります。印刷が完了した後、室温の低い環境では、パラフィンが固液相変化を起こし、インクのレオロジー特性が回復し、高解像度の印刷構造の安定性が確保されます。

彼は研究中に、技術の信頼性を検証するために多数の小さな三次元モデルを設計しました。印刷された柔らかいシリコン構造は、上層と下層が透明で、吊り下げられた繊維の幅が広く、設計と一致していることがわかりました。

図 | 高解像度 3D プリントされたソフトシリコン構造とその表面機能化 (出典: Advanced Materials)

この技術の助けにより、フレキシブルデバイスの3次元構造と性能を柔軟に制御できるようになります。例えば、印刷された柔らかいシリコンメッシュは、カーボンナノチューブの導電性処理を施した後、柔軟な圧力センサーや通気性のある超疎水性バイオニックデバイスの製造に使用できます。メッシュの構造パラメータを制御することで、デバイスの性能を制御できます。

図 | 高解像度の 3D プリントされた柔らかいシリコン構造を使用して、柔軟な圧力センサーを構築します (出典: Advanced Materials)

現在、ソフトシリコンは、ソフトロボット、フレキシブル電子デバイス、バイオニックデバイス、インプラントデバイスに大きな応用可能性を秘めています。この技術は、さまざまなインテリジェントフレキシブルデバイスのパーソナライズ化と迅速な製造に使用されることが期待されています。同時に、高解像度の印刷構造は、フレキシブルデバイスの性能向上に役立ちます。

図 | バイオニクスおよび超疎水性の分野における高解像度 3D プリントソフトシリコン構造の応用 (出典: Advanced Materials)

要約すると、Wang Yiliang 氏は、高解像度で形状忠実度の高い柔らかいシリコンオブジェクトを製造するための、シンプルでありながら強力な 3D 印刷戦略を提案しました。インク内に温度に敏感な粒子のネットワークを構築し、針の温度を調整することで、粘弾性インクのレオロジー特性を迅速に制御し、重力による印刷構造の変形を回避できます。

さらに、この 3D 印刷方法は、さまざまな柔らかいシリコン微細構造を迅速に作成できるため、柔らかい材料のパーソナライズされた製造において強力な機能を発揮します。印刷されたシリコーン製品は高解像度と豊富な微細構造の両方を備えているため、フレキシブルエレクトロニクスの分野での用途を拡大できます。

同時に、この3Dプリント技術は、機能化が容易で、マルチマテリアルプリントが可能という利点があり、優れた通気性、超疎水性、形状記憶性を備えたソフトデバイスなど、空間的に変化する機能を備えたソフトバイオニックデバイスの製造が可能になります。

王一良氏は、多成分軟質材料の複雑な微細構造を印刷する 3D 印刷技術が、最終的にはより強力なインテリジェントなフレキシブルデバイスやソフトロボットの製造に役立つと考えています。

新エネルギー、電子、電気の分野では、印刷可能な柔らかい材料ベースの導電性インクの需要が強くなるでしょう。

伝えられるところによると、王一良氏は2019年11月にカールスルーエ工科大学に着任した。突然の疫病の発生は彼の研究に大きな影響を及ぼし、協力していたほぼすべての研究室とチームが閉鎖された。

協力を求めることができなかったため、彼は、初期のインクの準備と最適化、3Dプリンターの改造とデバッグ、印刷構造の設計とGコードの書き込みから、フレキシブル圧力センサーとバイオニック超疎水性デバイスの設計と組み立て、フレキシブルデバイス関連のテストプラットフォームの構築まで、2年間ですべての作業を独力で完了せざるを得ませんでした。研究の過程は困難でしたが、非常にやりがいがありました。

カールスルーエ工科大学での2年間、彼の指導者であるノルベルト教授は彼に多くの指導と援助を与えました。ノーバート教授は、柔らかいシリコン素材の小さな三次元構造を迅速に 3D プリントすることが非常に重要であると考えています。そこで、グループに参加して2週目に、学術交流のために、フレキシブル電極スクリーン印刷の産業応用を専門とするシュトゥットガルトメディアコミュニケーションアカデミーの研究室に行くことを勧められました。

これにより、彼は従来の回路基板の準備プロセスを理解することができ、また、フレキシブルエレクトロニクスの開発と産業化におけるソフトマテリアル処理の重要性を認識することができました。

ノーバート教授は、研究チームは10年以上にわたり導電性銀ペーストを研究してきたと語り、新エネルギーや電子・電気工学の分野では、特に伸縮性や折り畳み可能なフレキシブル回路の製造に使用される柔らかい素材ベースの導電性ペーストなど、ハイエンドの導電性インクの需要がますます高まると感じていると語った。

そのため、王一良氏は2つの側面でさらなる研究を進める予定だ。1つ目は、柔らかいシリコンベースの導電性ペーストを準備し、それを今回の研究と組み合わせることで、最終的にフレキシブルセンサーと回路基板の迅速な統合3Dプリントを実現すること。2つ目は、この技術をフレキシブルバイオニックデバイスや超疎水性デバイスに応用することをさらに探求することだ。さらに、新しいインク直接書き込み3Dプリントシステムを最適化し、改善するために、機械および制御関連分野のパートナーを探します。

-終わり-

参照:
1. Wang, Y., & Willenbacher, N. (2022). 相変化を利用した、ソフトシリコンへの高速高解像度直接インク書き込み。Advanced Materials、2109240。

インク直接書き込み3D印刷技術の最小フィラメント径はわずか50umで、柔らかいシリコン素材の最高解像度の記録を樹立しました。

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