高速・大型・光硬化型3Dプリント技術がScienceに掲載。HARPはCarbon3Dを超えるか？

南極のクマの紹介: サイエンス誌に掲載された、高速、大型、高生産能力を備えたもう 1 つの革新的な 3D 印刷技術です。ノースウェスタン大学のHARP（高面積高速印刷）技術を開発し、科学者らは「Azul 3D」という会社も設立した。これはまさに、世界で最も高く評価されている3Dプリント企業の一つであるCarbon3Dが辿った道と同じであり、同社は技術産業化の最も優れた例の一つでもあり、中国が学ぶ価値のあるものである。
△《モバイル液体インターフェースを使用した高速大容量熱制御3Dプリンティング”、David A. Walker、James L. Hedrick、Chad A. Mirkin Science 2019年10月18日：Vol. 366、Issue 6463、pp. 360-364 DOI: 10.1126/science.aax1562
高速大型 3D プリンターは製造業の未来です。迅速なオンデマンド製造により、在庫と金型に革命が起こるかもしれません。

新型3Dプリンターは1年半以内に商品化される予定だ。
高硬度、耐久性のある部品、高弾性ボディを安全に3Dプリントできます
革新的な液体表面は液体を循環させて熱を除去し、現在の光硬化型3Dプリント技術の限界を打ち破ります。
医療機器、自動車、航空機、建設などの分野での応用部品の印刷に使用できます。

2019年10月17日、米国ノースウェスタン大学の研究者らは、わずか数時間で大人サイズの物体を印刷できる大規模で高速な3Dプリンターを開発したと発表した。

HARP (high-area rapid printing) と呼ばれるこの新しい技術により、記録的な生産効率とパーソナライズされた生産が可能になります。過去 30 年間、3D プリンティングの分野における取り組みのほとんどは、従来の技術の限界を押し広げることに向けられてきました。追求するのは通常、より大きな部品ですが、速度、スループット、解像度が犠牲になります。 HARP テクノロジーでは、これらの問題を考慮する必要がありません。高解像度を実現できるだけでなく、高い生産性も実現できるため、従来の 3D 印刷テクノロジーに対して強力な競争上の優位性が生まれます。

アンタークティック・ベアは、HARP技術の現在のプロトタイプは、印刷ベッドのサイズが2.5平方フィート（0.2平方メートル）、Z軸の高さが13フィート（約4メートル）であることを知りました。1時間以内に高さ0.5メートルの部品を印刷できます。この生産効率は世界記録を樹立しました。つまり、一度に 1 つの大きな部品を印刷することも、複数の小さな部品をまとめて印刷することもできます。
「3D プリントは概念的には強力ですが、実際には多くの制限があります」と、HARP 製品開発を率いる Chad A. Mirkin 氏は述べています。「材料やサイズの制限なしに迅速にプリントできれば、製造業に革命を起こすことができます。HARP は将来まさにそれを実現します。」

△3つの異なる印刷条件下での新しい3Dプリント部品（硬質ポリウレタンアクリレート樹脂、断面5cm×5cm、垂直印刷速度120μm/s、光学解像度100μm）の赤外線熱画像。 (A) 印刷インターフェースを修正しました。 (B) モバイルインターフェース。 (C) アクティブ冷却機能を備えたモバイルインターフェース。パネル間の経過時間（左から右）は約 500 秒です。スケールバーは 25 mm です。データと熱カラーマップは、ムービー S1 ～ S3 に対応しています。

ミルキン氏は、HARP が今後 18 か月以内に市販されるようになると予測しています。

この技術は、2019年10月18日に科学誌「サイエンス」に論文として発表されました。ノースウェスタン大学ワインバーグ文学科学部のジョージ・B・ラスマン化学教授であり、国際ナノテクノロジー研究所所長のチャド・A・マーキン氏が、マーキン氏の研究室の研究員であるデビッド・ウォーカー氏とジェームズ・ヘドリック氏とともにこの研究を行った。

冷却技術
HARP は、特許出願中の新しいステレオリソグラフィー 3D 印刷技術を使用します。 HARP は垂直印刷を使用し、紫外線を使用して液体樹脂を硬化プラスチックにします。このプロセスでは、硬くて柔軟性のあるセラミックさえも印刷できます。他の 3D 印刷技術に共通する層状構造とは対照的に、これらの連続印刷部品は優れた機械的特性を備えており、自動車、航空機、歯科、矯正器具、ファッションなどの部品として使用できます。
△さまざまなタイプの材料をサポート：A. 機械加工可能な硬質ポリウレタンアクリレート部品（印刷速度 120 μm/s、光学解像度 100 μm）; B. 後処理されたシリコンカーバイドセラミック印刷格子（印刷速度 120 μm/s、光学解像度 100 μm）; C＆D. 緩和状態と張力の印刷されたブタジエンゴム構造（印刷速度 30 μm/s、光学解像度 100 μm）; E. 圧縮後に拡張格子に回復するポリブタジエンゴム（印刷速度 30 μm/s、光学解像度 100 μm）; F. 3 時間以内に約 1.2 メートルの硬質ポリウレタンアクリレート格子を印刷（垂直印刷速度 120 μm/s、光学解像度 250 μm）; スケールバーは 1 cm です（出典：サイエンス）

現在のステレオリソグラフィー 3D 印刷技術の速度を制限する主な要因は熱です。すべての光硬化型 3D プリンターは高速で稼働すると大量の熱を発生し、場合によっては 180 度を超えることもあります。これにより、表面温度が危険なほど高くなるだけでなく、印刷された部品にひび割れや変形が生じる可能性もあります。速度が速いほど、プリンターが発する熱が多くなります。また、大きくて速いと、大量の熱が発生します。これはほとんどの 3D プリント企業が解決できない問題です。「これらのプリンターが高速で稼働すると、樹脂の重合により大量の熱が発生します」とウォーカー氏は言う。「その熱を取り除くことはできないのです。」

△連続印刷可能なモバイルインターフェースの説明：A. HARPの3D印刷技術ソリューション。B. 異なる流量での印刷部品の速度分布。滑り境界の存在を示しています。C. 滑り境界を持つ代表的な印刷部品のフロープロファイルの図解（出典：サイエンス）

「液体テフロン」
ノースウェスタン大学のチームは、液体テフロンが液体に付着しないのと同様の動作をすることでこの問題を回避しました。 HARP は窓を通して光を投射し、垂直に動くビルドプラテン上の樹脂を硬化させます。液体 PTFE はインターフェース上を流れて熱を除去し、その後冷却ユニットを通じて循環します。

「当社の技術は他の技術と同様に熱を発生する」とマーキン氏は語った。「しかし、熱を放散できるインターフェースはあります。」

Antarctic Bear は、HARP の液体樹脂インターフェースは非粘着性でもあり、樹脂がプリンター自体に付着するのを防ぐと指摘しました。これにより、印刷プロセス中に、Z軸方向に付着物を除去するための上下運動を行う必要がなくなり、連続的な液体表面印刷（Carbon3D印刷と同じ技術原理）が実現し、速度が100倍向上します。
ナノテクノロジーの拡大
マーキン氏は1999年に世界最小のプリンターを発明した世界的に有名なナノテクノロジーの専門家です。ディップペンナノリソグラフィーと呼ばれるこの技術では、極小のペンを使用してナノスケールのパターンを描きます。その後、彼はこれを、光を発射して樹脂材料を硬化させる一連の細いペンに変換しました。 HARP で使用されている特殊な非粘着性インターフェースは、ナノスケール 3D プリンターの技術開発中に生まれました。

「量の観点から見ると、ナノスケールのアプリケーションを18桁拡大しました」とミルキン氏は語った。

「モバイル液体インターフェースを使用した高速大容量熱制御 3D 印刷」という研究は、米国エネルギー省空軍科学研究局 (助成金番号 FA9550-16-1-0150) (受賞番号 DE-SC0000989) およびシャーマンフェアチャイルド半導体財団によって支援されました。

Azul 3Dの設立
現在、科学者たちはこの技術をベースにAzul 3D, Inc.という会社を設立しました。ノースウェスタン大学も同社の株式を保有している。

△ HARP技術で3Dプリントされた会社ロゴAzul

「3Dプリントを素早く大量に行えるようになれば、製造業に対する人々の考え方が本当に変わるでしょう」とミルキン氏は言う。「HARPを使えば、金型や部品倉庫がなくても、オンデマンドで何でも作れるようになります。」

Azul3D 対 Carbon3D

Azul3D には独自の HARP テクノロジーがあり、Carbon3D には独自の CLIP テクノロジーがあります。前者は 3D プリント速度の最高記録を破ったと主張しており、これはつまり Carbon3D を上回ったことを意味します。 Antarctic Bear は、Carbon3D などの 3D プリンター製造業者はこれに同意しない可能性があると考えています。 CLIP テクノロジー: このテクノロジーの核心は、「酸素透過膜の層を使用して感光性樹脂液を空気中の酸素から隔離し、高速かつ連続的な 3D プリントを実現する」ことです。

2019年10月現在、Carbon3Dは大規模生産アプリケーションを対象とした最新世代の高速量産3DプリンターL1を発売しました。
△3Dプリントされたヘルメットを手に持つCarbonのCEO、ジョー・デシモーネ氏。背後には高速量産型3DプリンターL1が。印刷サイズが 7.4 インチ x 4.6 インチ x 12.8 インチ (189 mm x 118 mm x 326 mm) の Carbon3d の M2 モデルと比較すると、L1 の印刷容量は 5 倍になります。カーボン社はまた、2019年に生産用に1,000台の3Dプリンターを設置する予定だ。アンタークティック・ベアによれば、カーボンのマシンは直接販売されるのではなく、機器＋ソフトウェア＋クラウドサービスを含めたリース方式で提供されるという。M2モデルの年間料金は5万ドルで、さらに毎年2万ドル相当の資材を購入する必要があり、合計で少なくとも年間7万ドルかかる。 L1のリース協力価格は間違いなく高くなります。 Carbon が 2019 年までに 1,000 台のマシンを設置し、2019 年に 1,000 台の新しいマシンを設置していた場合、マシンの合計は 2,000 台になります。商業運転価格が1台あたり7万元であれば、年間売上高は1億4000万ドルに達する可能性がある。
2019年6月、Antarctic Bearは、3Dプリント分野のユニコーン企業であるCarbonが、資金調達規模が最大2億6,000万米ドル（約18億人民元）で評価額が24億米ドル（165億人民元）のラウンドE投資を受け、世界で最も価値のある3Dプリント企業の1つになったと報じました。

中国の高速3Dプリンターメーカー

さらに、中国には北京Revo Plastic Technology、北京Qingfeng Times LuxCreo、北京Jindalei UNIZなど、高速光硬化3Dプリントを行うメーカーがいくつかあり、印刷速度も非常に速いです。

レボプラスチックテクノロジー

2019年10月15日、深センTCT展示会において、Revo Plastic Technology（北京）Co., Ltd.は中国初の商用工業グレードの高速光硬化3DプリンターType E+を発表しました。

△タイプE+、最速3Dプリント速度は従来の3Dプリント装置の50～100倍、Z軸成形速度は300mm/hに達します（具体的な値は材料やテスト環境などの要因によって異なります）。

タイプ E+ は、Revo デジタルフォトニック製造 (DPM) テクノロジーを採用し、材料に熱活性化プログラム可能な化学反応を利用して、品質の不均一性や脆弱性などの従来の 3D プリント製品の欠陥を克服します。タイプ E+ で作られた完成品は、従来の射出成形金型で作られたものと同等であり、優れた機械的特性と滑らかな表面を備えています。 DPM はバッチ 3D プリントを実現するための鍵です。

ルクスクレオ

2019年8月、中国の高速3Dプリンターメーカーであり、大規模3DプリントサービスプロバイダーでもあるLuxCreoは、3,000万米ドルのシリーズB資金調達を完了したと発表した。

△最大印刷サイズ190mm×120mm×420mmの量産型産業用高速3DプリンターTriXシリーズ

Qingfeng Times は、量産型産業用高速 3D プリンター TriX シリーズを開発しました。超高速3Dプリント「LEAP™」技術を採用し、従来の製造モデルを打破し、新たなデジタルマスカスタマイゼーションを実現します。従来の 3D 印刷技術と比較すると、立体物を形成するために層ごとに積み重ねる必要がなく、「成長」方式によって素早く形成されます。この技術はボトムアップDLPをベースとし、改良されたインターフェースを通じて効率的な連続液体表面成形を実現します。最大印刷速度は1200mm/hに達し、さまざまな材料に適用でき、真の大量カスタマイズ生産を実現します。南極熊によると、青峰時報の機械は将来的にはリース方式で顧客に提供される予定だという。

参照:

「モバイル液体インターフェースを使用した高速大容量熱制御 3D 印刷」、David A. Walker、James Hedrick、Chad A. Mirkin、Science、Vol. 366、Issue 6463、pp. 360-364 https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360

ノースウェスタン大学のウェブサイト
https://news.northwestern.edu/st ... manufacturing/&fj=1

American Carbon の CLIP 高速 3D プリント技術特許 https://www.nanjixiong.com/thread-119241-1-1.html