AM: マシンビジョンシステムと統合された近接場直接描画製造技術

出典: EngineeringForLife

近接場直接描画 (MEW) は、複数のパラメータ変数のバランスをとることで製造プロセスの安定した動作を実現できる高解像度の積層造形 (AM) 技術です。金属 AM 製造におけるマシンビジョン (MV) テクノロジにヒントを得て、クイーンズランド工科大学の Dietmar W. Hutmacher 氏のチームと、ヴュルツブルクのユリウスマクシミリアン大学の Paul D. Dalton 氏のチームは、このテクノロジによって印刷プロセス中にリアルタイムデータの完全な監視と分析が可能になることに気付きました。研究者らは、異なる電界での安定した噴射条件下での製造工程中に垂直方向に撮影された高解像度の印刷画像を分析し、印刷された繊維の直径を正確に測定し、印刷パラメータと相関関係を調べました。最終的に、印刷プロセスのパラメータを改善することで、折りたたみ可能な管状構造物の製造に成功しました。関連する成果「マシンビジョンと溶融エレクトロライティングの融合」が、Advanced Materials 誌に掲載されました。

MEW プロセス中に、印刷パラメータが適切でないと、「ファイバーパルス」と呼ばれる現象が発生します。「ファイバーパルス」によって引き起こされるジェット量の連続振動は、ファイバーの直径と印刷精度に影響を与えます。 MV を活用することで、印刷プロセスからの重要かつ微妙な視覚情報を取得して分析することができ、MEW の精度機能が向上および拡張されます。

図 1 A) MEW プリンターは、平らなプレートとマンドレルコレクターで構成されています。B) おおよその位置決めのため、高解像度カメラが USB カメラの後ろのオフサイトに設置されています。C) MV の正確なタイミングをファイバー径の測定値と相関させることができる実験設計の概略図。D) テイラーコーンの体積が小さいと、ファイバー径が小さくなり、E) テイラーコーンの体積が大きいと、ファイバー径が大きくなり、ファイバーのタイミング差が大きくなります。F) ファイバー壁の SEM 画像。(D) から (E) にかけて制御されていない振動が発生し、ファイバー径が異なることを示しています。G) プロセスのビデオ録画からキャプチャされたフレーム。MEW のプロセス特性を分析しています。走査型電子顕微鏡を使用して繊維の直径を測定し、MATLAB を使用して特定の領域を分析し、ジェット角度とテイラーコーン面積を計算しました。この論文では、研究者はまず、各グループの空気圧レベルが 0.4 バールと 0.7 バールである 4 つの異なる電界環境下での MEW ジェットの安定性を分析しました。対照群として、高電圧 (HV) とコレクター距離は変更されません。ただし、より厚い構造の場合、サンプルの上部の繊維がプリントヘッドに近づくにつれて欠陥が形成されるのを防ぐために、コレクターの距離を増やす必要があります。コレクター距離が層ごとに増加すると、電界が減少しても高電圧は変化せず、電界が増加してもコレクター距離は変化せず、高電圧が徐々に増加します。最後に、コレクター距離と HV を増やすことで一定の電界が実現されます。

図 2 A、D、G、J) 電界を低下させると (A)、すべてのプロセス特性のパルス動作が明らかになります (D、G、J)。B、E、H) 電界を増大させると (B)、テイラーコーン領域 (E) とジェット角度 (H) が徐々に減少します。K) 繊維径は 0.4 bar では変化せず、0.7 bar では徐々に減少します。C、F、I、L) 一定の電界 (C) では印刷の不安定性の兆候は見られず、すべてのプロセスはレベルを維持します (F、I、L)
ほとんどの MEW 研究では平面コレクターが使用され、直線ファイバーが堆積されます。この構造では、印刷中に射出されたマイクロフィラメントの遅延が重大な印刷欠陥として現れます。これは、オートフォーカス効果により、堆積された繊維が以前に堆積された繊維に引き寄せられるためです。ただし、ジェット角度の小さな変化がマンドレルの転換点に影響を与えるため、高解像度の管状 MEW スキャフォールドの製造はより困難です。特に、これまでの管状 MEW 研究では、繊維の分布が不規則であるか、繊維層の総数が最大 10 に制限されていることが示されています。

適切に配置された繊維がこのような厚さのシートを形成すると、機械的なメタマテリアルに関連する弾性浸透不安定性を示します。 MEW チューブの織り交ぜられた壁は、SEM で取り付けて観察できるほど安定した位置まで貫通することができました。さらに、ジェットの優れた精度と印刷安定性を必要とする 300 層の MEW チューブを製造することができ、チューブは独自の弾性浸透機械特性を示し続けます。

図 3 巻き角度 60° の厚管 MEW の MV 情報。A-C) MEW チューブの両端の 80 (A)、100 (B)、150 (C) 層の SEM 画像。D-F) SEM 画像は、80 (D)、100 (E)、150 (F) 層の MEW チューブの縦方向の形態を示しています。G) 部分的に潰れた厚管の SEM 画像。H) 300 層の圧縮 MEW チューブの内腔の SEM 画像。偽黄色は繊維壁の座屈を示し、偽青色は潰れていない細孔を示しています。I) 製造中に精度、制御、印刷安定性が求められる難しい 300 層 MEW チューブの SEM 画像。J) 元の長さの約 20% に圧縮されたときのさまざまな圧縮状態の 300 層チューブの実体顕微鏡画像。まとめると、テイラーコーンの体積は、MEW 処理の品質に影響を与える重要なプロセス特性です。 MV 法は MEW プロセス中のジェット流を解析するために使用され、より厚い層構造を製造するための改良された電界制御プロトコルが提案されています。このアプローチの有効性を実証するために、一定の電界条件を達成することで、現在の最先端技術をはるかに超える高さの厚い管状構造が製造されました。

参考文献
Pawel Mieszczanek、Thomas M. Robinson、Paul D. Dalton、Dietmar W. Hutmacher、「マシンビジョンと溶融エレクトロライティングの融合」。先端材料
https://doi.org/10.1002/adma.202100519

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