両方の長所を兼ね備えた新しい金属プラスチックハイブリッド3Dプリント技術

出典: 江蘇レーザー連盟

金属とプラスチックの融点に大きな差があるため、同時に印刷するのは非常に困難です。現在、日本の早稲田大学の研究者らが、金属とプラスチックの同時印刷を可能にする新しい複合技術を発明した。この成果は、Additive Manufacturing誌に掲載された。
図1 将来のロボット工学やIoTアプリケーション向けに3Dプリンターの用途を3Dエレクトロニクスに拡大し、金属とプラスチックの同時印刷を可能にする方法
3D プリント技術は過去 10 年間で飛躍的に進歩し、現在では産業現場での大規模生産が可能になっています。「付加製造」とも呼ばれる 3D プリンティングでは、原材料から直接、任意の複雑な 3D オブジェクトを作成できます。最も一般的な 3D 印刷プロセスであるフィラメント溶融製造では、プラスチックまたは金属が溶融され、プリンターヘッドによって小さなノズルを通して押し出され、そこですぐに固まって部品の残りの部分と融合します。しかし、プラスチックと金属の融点には大きな差があるため、この技術はこれまで金属またはプラスチックの物体の製造に限定されていました。

学術誌「Additive Manufacturing」に最近発表された研究で、日本の早稲田大学の科学者らが、金属とプラスチックでできた3Dオブジェクトを製造できる新しいハイブリッド複合技術を開発した。研究を主導した梅津真次郎教授は「3Dプリンターは金属やプラスチックで立体的な構造物を作ることができますが、私たちの身の回りの物の多くは電子機器も含め、金属とプラスチックの組み合わせで作られています。そのため、従来の3Dプリンターを使って金属とプラスチックの立体物を作ることができれば、その用途を広げることができると考えました」と研究の動機を説明した。

彼らの方法は、実際には、3D プラスチック構造を金属コーティングするために使用される従来の金属化プロセスを大幅に改善したものです。従来の方法では、プラスチック製の物体を 3D プリントし、パラジウム (Pd) を含む溶液に浸して物体の表面に付着させます。次に、被処理物を化学めっき溶液に浸し、堆積した Pd を触媒として利用して、溶解した金属イオンを被処理物に付着させます。技術的には正しいものの、従来の方法では金属コーティングが不均一になり、プラスチック構造への接着性が低下します。
図 2: A: 3D プリントされたプラスチック構造の金属化の従来の方法。ワークピースの表面を触媒するには、湿式前処理が必要です。 Pdコロイドが表面に堆積します。次に、Pd 触媒処理されたワークピースを化学析出浴に浸し、表面を目的の金属でコーティングします。 Pd触媒は無電解めっきを誘発します。しかし、3D プリンターで使用されるプラスチック (この研究では ABS) は主に疎水性であるため、堆積した金属は表面に強く付着せず、コーティングが不均一になります。 B: 3D プリントされたプラスチック構造の選択された領域に金属を堆積するための提案された方法。純粋なプラスチックの ABS フィラメントに加えて、PdCl2 を含む ABS フィラメントもあります。 3Dプリントでは、ワークピースの基本構造は純粋なABSフィラメントを使用して製造され、選択された関心領域（図の黄色の部分）はPdCl2を含むABSフィラメントでコーティングされます。ワークピースは選択された領域でPdによって触媒されるため、化学めっきタンク（つまり、Aの触媒）に直接浸漬できます。図3 さまざまな触媒方法を使用して得られた3DプリントABS構造。（A）図1Aに示す従来の方法：Pdイオン溶液への浸漬。双方向矢印は浸漬深さを示しています。（B）位置選択的触媒：ノズルを通して空気圧でABSとPdCl2混合アセトン溶液を貼り付けます。（C）位置選択的触媒：PdCl2を含むABSフィラメントを使用して、FFF 3Dプリンターを介してPdCl2を含むABSを貼り付けます。左の画像は3Dプリントと触媒プロセス後の画像で、右の画像は化学堆積後の画像です。
3D プリントされたプラスチック構造の金属化に関する従来の方法と、この論文で提案されているアプローチの概要。従来の技術とは異なり、提案されたデュアルノズルアプローチでは、必要な領域のみに均一でしっかりと付着した金属コーティングが施された 3D オブジェクトが生成されます。

対照的に、新しいハイブリッドアプローチでは、デュアルノズルを備えたプリンターが使用されます。1 つのノズルは標準的な溶融プラスチック (アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)) を押し出すために使用され、もう 1 つのノズルは二塩化パラジウム (PdCl2) を充填した ABS を押し出すために使用されます。いずれかのノズルを使用して層の厚さを選択的に印刷することにより、3D オブジェクトの特定の領域に Pd が含まれます。その後、化学メッキにより、選択された領域のみに金属コーティングが施されたプラスチック構造が完成します。

科学者たちは、この方法を使用すると金属コーティングの接着力がはるかに高くなることを発見しました。さらに重要なのは、原材料に Pd が含まれているため、従来の方法とは異なり、この技術では、触媒の堆積を容易にするために ABS 構造を粗面化したりエッチングしたりする必要がないことです。これらの追加手順により、3D オブジェクト自体が損傷するだけでなく、クロム酸などの有毒化学物質の使用により環境にも損傷を与える可能性があることを考慮すると、これは特に重要です。最後に、彼らの方法は、既存のフィラメント溶融積層方式 3D プリンターと完全に互換性があります。

梅津氏は、今後の IoT や AI アプリケーションの焦点となる 3D エレクトロニクスにおける潜在的な応用を考えると、金属とプラスチックのハイブリッド 3D プリンティングは近い将来非常に重要になる可能性があると考えています。この点に関して、彼は次のように付け加えています。「当社のハイブリッド 3D 印刷アプローチは、3D エレクトロニクスの製造の可能性を切り開き、ヘルスケアや介護用のデバイスやロボットが現在のものよりも優れたものになる可能性があります。」

この研究により、金属とプラスチックという両方の長所を活用できる複合 3D 印刷技術への道が開かれることが期待されます。

出典：早稲田大学、Jing Zhan他「触媒添加フィラメントと無電解めっきを用いた金属プラスチックハイブリッド3Dプリント」Additive Manufacturing（2020）。DOI：10.1016/j.addma.2020.101556、梅津真次郎

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