DLP 3D 印刷プロセス最適化インターフェース戦略

出典: EngineeringForLife

3D プリンティングは、付加製造とも呼ばれ、コンピューター支援設計をオンデマンドで複雑な構造に直接変換できます。この技術は近年広く注目を集めています。さまざまな方法の中でも、ポリマーまたはプレポリマーをインクとして使用するデジタル光処理（DLP）3Dプリンティングは、カスタム生産、ヘルスケア、教育、アートやデザインなどさまざまな分野での高い需要により、主要な新技術として浮上しています。 DLP 3D 印刷技術は、構築単位として固化したスライスを使用し、高い印刷速度と解像度を同時に実現する可能性が認められています。

最近、中国科学院化学研究所の宋燕林研究員と呉磊准研究員は、固相と液相の界面相互作用の観点から、印刷プロセスの重要な側面、すなわち速度、精度、材料多様性の最適化についてまとめました。これらの界面相互作用は、樹脂の形成、硬化表面、光源の特性によって影響を受けます。これらの相互作用には、液体樹脂と UV パターンの界面、硬化構造と硬化表面の界面、液体樹脂と硬化表面の界面、および液体樹脂と硬化構造の界面が含まれ、それぞれが印刷結果の独自の特性に寄与します。最後に、このレビューでは、DLP 3D プリンティングの現在の課題と限界について検討し、将来の改善に向けた貴重な洞察を提供し、この分野における潜在的なイノベーションを導きます。

「DLP 3D プリンティングプロセス最適化のための界面戦略における最近のイノベーション」と題された関連レビューが、2024 年 10 月 19 日に Materials Horizons に掲載されました。

図1 さまざまな3Dプリント形式とそれに対応する原材料および成形ユニットの概要
1.DLP 印刷構成と関連インターフェース<br /> 光源と支持板の相対的な位置に応じて、UV 光源が支持板の上方に配置されるトップダウン構成 (図 2 a) と、UV 光源が支持板の下方に配置されるボトムアップ構成 (図 2 b) の 2 つの構成があります。どちらの構成でも、印刷プロセスは制約されたインターフェース間で実行されます。つまり、下から上へは、溝の底部と固化された 3D 構造の間で印刷プロセスが実行され、上から下へは、上部カバーと固化された 3D 構造の間で印刷プロセスが実行されます。 2 つの構成の制御戦略は普遍的であるため、著者は主にボトムアップ構成を紹介します。

これら 3 つのステップは、実際には UV パターン、硬化構造、硬化表面の界面で実行されるその場界面硬化プロセスであるため、界面の観点から見ると、硬化に関与する界面の調整が印刷プロセスと印刷結果に影響します。印刷プロセス全体では、図 2c に示すように、UV パターン、液体樹脂、硬化構造、硬化表面の間のインターフェースが関係します。著者らは、主に、光源、液体樹脂、硬化表面の特性によって影響を受ける固体硬化表面、固体硬化構造、液体樹脂の固体-液体接触界面を制御するための界面戦略をまとめています。さまざまな固体と液体の界面の調整により、関係する界面での凝固や動きも変化し、印刷の連続性、印刷構成、印刷効率、機能化、または印刷プロセスの影響を受ける 3D 印刷構造の独自の特性など、さまざまな印刷プロセスや印刷構造の特性が生じます。

図2 トップダウンおよびボトムアップDLP印刷プロセスの実験装置の概略図
2. 液体樹脂とUVパターンのインターフェース<br /> UV 光の下では、液体樹脂は硬化構造 (サポートプレートの第 1 層) と硬化表面の界面で固まります (図 3a)。したがって、UV 硬化プロセスには、UV パターン、液体樹脂、硬化表面の界面が含まれます。硬化表面は、Z 軸方向に沿った液体樹脂の過剰な硬化を抑制する物理的な制約として機能します。液体樹脂と UV パターンの界面の制御は、UV パターンの制御と液体樹脂成分の制御によって実現できます。具体的には、従来の UV プロジェクターをベースに UV 投影強度分布や投影方法を調整したり、UV プロジェクターを改造して光路を調整したりすることで、UV パターンを調整できます。

UVプロジェクターを改造せずに光強度分布を制御する場合、図3bに示すように、膜構造内部の硬化度の違いは主に前面光重合と光重合によって誘発される体積収縮の影響を受け、後処理後または外部刺激を受けて3次元形態に変形することができます。前面光重合は、片側が紫外線に照射された厚い液体樹脂層内で行われます。照射時間が長くなるにつれて、光の減衰と光重合の差が照射されていない液体側にも広がります。硬化プロセス中、モノマーと架橋剤の間に共有結合が形成されるため、材料の体積が減少し、不均一な体積収縮、前面移動、および対応する応力場と曲げ傾向が生じます。さらに、光強度パターンの複雑さと組み合わせることで、xy方向の製造パラメータが充実し、体系的な印刷プロセス設計を通じて曲線構造や3D折り紙構造を準備できるようになります。

図3 UVパターンと液体樹脂の界面の制御と最適化
3. 凝固組織-凝固表面界面<br /> 液体樹脂が紫外線下で固化構造に重合された後、次の液体層を生成するためのスペースを作るために固化表面から離れるか分離する必要があり、それによって層ごとに固化と積み重ねが行われ、3D構造が実現されます。凝固構造と凝固面の界面の制御は、主に凝固構造と凝固面の分離プロセスと、それに続く凝固面上の液体樹脂の凝固に影響を及ぼします（図4a）。最も最適化された状況は、3 つのステップの同時処理を実現することです。これにより、まず印刷の連続性が実現され、次に印刷精度が最適化されます。第二に、ポリマーフレームワーク内に拡張された不活性液体カバー層は、液体樹脂の種類に関係なく、3Dプリントプロセス中の接着現象を軽減するための硬化面として使用することができ、硬化構造と硬化面との間の接着を軽減することができます。凝固表面の滑りやすい特性により、界面に液体樹脂の拡散特性がより速く付与され、凝固構造と凝固表面の間の液体樹脂の補充速度が速くなり、それによって連続凝固のための新しい液体樹脂層が生成され、樹脂補充現象の2番目の障害が部分的に解決され、より汎用性の高い印刷プロセスが可能になります。

図4 凝固組織と凝固表面界面の制御と最適化
4. 液状樹脂硬化表面界面
固化構造と固化表面の分離プロセスに伴い、液体樹脂は固化構造と固化表面の間に新たに生じた隙間を補充する必要があり、それによって次の固化蓄積層のための新たな液体層が生成されます。前述のように、凝固面または凝固構造と凝固面との間の液体の広がりが遅いために樹脂の充填が不十分になることは、連続印刷プロセスを実現する上での障害の 1 つです。樹脂の充填が不十分だと、印刷プロセスが遅くなり、印刷の欠陥や失敗につながります。したがって、液体樹脂と硬化表面の界面の調整は、主に樹脂の充填速度と傾向に影響し、それによって印刷の連続性に影響し、さらに充填層内の材料分布に影響し、ひいては全体の 3 次元構造に影響します。

図5 液状樹脂と硬化表面の界面の制御と最適化
5. 液状樹脂硬化構造界面

液状樹脂と硬化構造物の界面の規制は、構造物の外表面周囲の硬化領域と硬化表面の 2 つのケースに分けられます。最初のインターフェースは主に、印刷プロセス中または印刷後の後処理中に固化構造の外表面上の液体樹脂の被覆率に影響を与え、印刷構造の輪郭とDLP 3D印刷の印刷プロセスを調整します（図6）。硬化領域周囲の液状樹脂硬化構造界面の界面制御については、追加装置を導入することなく、マルチマテリアル適合特性を有するDLP 3Dプリンティングを拡張できます。従来、3D インクジェット印刷や直接インク書き込みでノズルの数を増やすのと同様に、使用する液体樹脂の量を増やすと、3D 構造の材料の範囲と多様性を増やすことができます。さらに、付着した液体樹脂の各層を完全に除去することも、境界精度を向上させるもう 1 つの方法です。液体樹脂と固化構造の界面を調整することで、印刷プロセス、印刷結果、3D 構造の複雑さを制御できます。
図 6 液体樹脂と固化構造との界面の調整と対応する最適化要約すると、本稿ではまず、DLP 3D 印刷技術に関係する 2 つの異なる印刷構成、印刷プロセス、および界面を紹介し、次に、液体樹脂と UV パターン界面での印刷速度と構成の最適化、固化構造と固化表面界面での印刷連続性の最適化、液体樹脂と固化構造界面での印刷プロセス、結果、およびパフォーマンスの調整、液体樹脂と固化構造界面での印刷結果と材料の複雑さの最適化など、界面調整に基づいて DLP 3D 印刷の印刷プロセス、速度、精度、および材料の多様性を最適化するための最近の科学的試みをまとめました。これらの調整は、印刷プロセス、デバイス構成、3D 印刷構造の形態と物理的特性に影響します。最後に、著者らは、DLP 3D 印刷方法の今後の課題と進歩に期待しています。

ソース：
https://doi.org/10.1039/D4MH01160K

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