2成分高速硬化シリコンインクが3Dプリントの新たな扉を開く

2024年12月4日、アンタークティックベアは、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者が、より大きく、より高く、より薄く、より多孔質の固体シリコン構造を作成できる新しい3Dプリント技術を開発したことを知りました。

△研究結果は、「背が高く、張り出した、高アスペクト比の構造をワンステップでサポートフリーの3Dプリントできる新しい高速硬化シリコンインク」というタイトルでAdvanced Materials Technology誌に掲載されました（ポータル）
研究チームは、印刷前に混合し、室温で急速に硬化する2成分の「速硬化」シリコンベースのインクを使用しました。この技術により、印刷時間が長くなり、製造プロセスが簡素化され、複雑な形状や構成でも構造が崩れたりたるんだりすることがなくなります。「シリコンに直接インクで書き込む技術は他にもありますが、私たちの技術は最もシンプルで信頼性の高いソリューションです。余計な心配をせずに印刷するだけです」と、材料工学部門（MED）の博士研究員で、この論文の筆頭著者であるアンナ・グエル・イザード氏は語った。

△2成分速硬化シリコーンインクは、これまで実現できなかった背の高い、張り出した、または薄壁の構造を作り出すことができます。
シリコンプリントを簡単に

シリコーンは、柔軟性、弾力性、生体適合性に富んだ多用途ポリマーであり、保護材料、生体医療機器（インプラントや人工器官を含む）、フレキシブル電子機器、ソフトロボットなど、さまざまな用途に適しています。 3D プリンティングは、付加製造技術として、従来の方法では実現できない中空構造や多孔質構造を作成することで、シリコーンの応用範囲をさらに拡大します。

ノズルから材料を押し出し、層ごとに選択的に堆積させるダイレクトインクライティング (DIW) 技術は、シリコンなどの高粘度材料の印刷に特に適しています。しかし、シリコンベースのインクは自立性が低いため、従来の DIW 技術では単純な平面デザインの製造に限られ、背の高い、張り出した、または薄壁の構造を印刷することは困難です。

△ 直接インク書き込みによる 3D 印刷シリコーン構造の制限印刷を成功させるには、印刷中および熱硬化中の構造の安定性を維持しながら、機械の精度、ノズルの品質、インクの特性がすべて最適であることを確認する必要があります。さらに、インクが固まり始める前に印刷プロセスを完了する必要があり、押し出しの難易度が増します。これらの課題に対応するため、チームは新しいインク配合を開発し、印刷プロセスを改善しました。

研究者らが開発した新しいシリコンインクには、触媒（化学反応を加速させる物質）と架橋剤（分子を結びつける化合物）が含まれている。これらの成分は、インライン混合により押し出しプロセス中に徐々に混合され、構造的な接着を実現します。この技術は、架橋剤と触媒が押し出し前に分離され、ノズルを通って流れる際に連続的に混合される2成分エポキシ高速硬化（FC）インクに似ています。

△FCインク印刷に使用するインラインミキサーシステムの概略図。速硬化性インク A と B の弾性率の変化とベースラインインクとの比較を示すグラフとチャート、および室温での混合インクの弾性率の経時変化を示すグラフとチャート
2成分エポキシ高速硬化（FC）インク

この新しいシリコンインクの化学特性は、押し出し後すぐに固まるため、印刷時間の制約がなく、材料を硬化または硬化させるための追加手順も必要ありません。

「インクは分離しているので、注射器の中で固まらないため、印刷時間を心配する必要はありません」とグエル・イザード氏は指摘する。「また、印刷プロセス中に層が固まるため、構造がたるまないようになり、強度も増します。」

FC 配合により、研究者は混合から印刷、硬化までのプロセス全体を制御できるようになり、自立能力が向上し、形状保持性が向上します。 1 成分ベースラインと比較すると、2 成分 FC インクは同様のレオロジー (流動特性) を持ち、より優れた形状保持性と約半分のたるみ量で、2 つの一般的な形状の木製杭を正常に印刷しました。グエル・イザード氏と彼女のチームは、これまでシリコンでは実現が困難だった、細長い構造、支えのない鋭い張り出し、最大 90% の多孔度を持つ螺旋体や立方八面体などのシェルベースの格子構造などの構造をうまく印刷できたことに非常に興奮しています。

△ベースラインインクと高速硬化（FC）インクを使用してさまざまな条件下で印刷された構造。細いSCウッドパイル、張り出した構造、立方八面体、らせん格子など、すべての画像は後硬化されています。彼女は次のように述べています。「これらの美しい立方八面体と張り出した構造は印刷と一致しており、壁は非常に頑丈ですが、ベースラインインクを使用して印刷された構造は崩壊しています。これは、私たちが何か重要なものを発見し、これらすべての魔法の化学物質が機能していると信じさせてくれます。」

今後、研究者らはこの技術の限界をさらにテストし、2成分系のパラメータを調整することでインクの特性を正確に制御する予定です。例えば、研究チームは、ゲル化時間は触媒の量に依存するため、構造の高さや張り出した特徴を決定する上で化学反応が重要な役割を果たす可能性があると指摘した。さらに、研究チームはこのコンセプトを他の材料にも拡張し、さらに新しい構造の可能性を解き放つことも望んでいます。

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