自然：音と光を組み合わせたダイナミックインターフェース3Dプリント技術が、未来の製造業の新たなパラダイムを生み出す

この投稿は Coco Bear によって 2024-11-14 14:03 に最後に編集されました。

2024年10月30日、Antarctic Bearは、オーストラリアの研究者が新しい3D印刷方法であるダイナミックインターフェース印刷を提案したことを知りました。これは、音響的に変調された閉じ込められた気体と液体の境界を使用して、数十秒以内にセンチメートルレベルの3D構造を迅速に生成するものです。彼らの研究結果は「ダイナミック・インターフェース・プリンティング」というタイトルでNature 誌に掲載されました。

背景科学技術の発展に伴い、3D プリント技術は医療機器、航空宇宙部品、マイクロ加工戦略、さらには人工臓器など、多くの分野に浸透しています。従来の 3D 印刷技術は解像度と幾何学的忠実度の点で優れていますが、材料を層ごとに固めるという動作原理のため、印刷速度、材料構成、生産効率に一定の制限があります。体積印刷は、自由浮遊構造と等方性構造を迅速に製造できることから近年大きな注目を集めていますが、このアプローチでは特殊な光学系や特殊な材料配合も必要となり、幅広い応用が制限されています。

△DIPの革新的な方法は、中空のプリントヘッドとガス液体メニスカスを使用し、空気圧と音波を調整することで高速でレイヤーフリーの3Dプリントを実現します。

研究内容

ダイナミックインターフェース印刷技術の概要 上記の課題に対処するため、オーストラリアのメルボルン大学の研究チームは、新しい 3D 印刷技術であるダイナミックインターフェイスプリンティング (DIP) を提案しました。この技術は、底部が開いて上部が透明なガラス窓で密閉された中空のプリントヘッドを使用し、音響作動によって制御された空気と液体の界面を生成し、物体の迅速な生成を実現します。この革新的な方法は、従来の技術で必要とされる複雑なフィードバックシステムや特定の化学物質を回避するだけでなく、数秒から数十秒の時間範囲でセンチメートル規模の 3D 構造の印刷を可能にします。

△ ダイナミックインターフェース印刷: a 部分的に水没したプリントヘッドの底に気液界面が形成されます。この境界が印刷界面として機能し、パターン化された投影を使用して感光性ポリマーを局所的に硬化させます。 bプリントヘッド内の空気量を音響的に制御することで、毛細管現象による波動を介して材料の流入を促進します。 c 連続モードでは、空気と液体の界面の全体的な位置は、プリントヘッドの連続移動 (CT) と一定音響変調 (CAM) によって決まります。過渡モードでは、インターフェースの位置は、ステップ変換 (ST)、内部圧力変調 (PM)、および過渡音響変調 (TAM) によって決まります。 d 心臓形状印刷プロセスのタイムラプス写真。40 秒未満でセンチメートル規模の構造を迅速に製造できることを実証しています。

DIP は、プリントヘッド内の圧力を動的に調整できるため、印刷プロセス中にメニスカスの形状と位置を制御できるという点で独特です。この変調は固定して静的メニスカスを形成することもできますが、さまざまな振幅と周波数にわたってインターフェースを音響的に変調して毛細管重力波を形成することもできます。特定の瞬間におけるメニスカスの正確な位置は、プリントヘッドの垂直位置、プリントヘッド内の静圧、および音響変調の振幅と周波数の重ね合わせによって決まります。この振動作動は、投影間で連続的にまたは一時的に作動させることができます。

DIP は、光学的および音響的変調をプリントヘッドに局所化することによって実現されるため、DIP は基本的にコンテナーによって制限されません。 DIP は、毛細管重力波を使用して印刷インターフェースでの質量移動を促進することで高い製造速度を実現し、高解像度の構造を迅速にプロトタイプ化できます。

凸スライス 他の光ベースの印刷技術と同様に、目的の形状の 3D デジタルモデルを最初に一連の画像に変換し、投影システムで順番に表示する必要があります。ただし、平らな印刷インターフェースを使用する標準的なステレオリソグラフィーとは異なり、DIP には湾曲したメニスカスがあります。これには、オブジェクトの 3D 領域を表す、インターフェイスの輪郭に適合する一連の画像が必要です。各印刷の開始時に、インターフェースが印刷ボリュームの下部に向かって押し付けられ、部品のサイズによって最大サイズが決まる薄い流体膜が形成されます。印刷が進むにつれて、圧縮されたプロファイルは、その中心が容器の底に接するまで後退します。この過渡領域の後は、ヤング・ラプラス方程式を使用して界面の形状を計算できます。

サウンド変調 気液境界によって実現される DIP の核となる機能は、音響変調によって印刷されたインターフェースを振動させる機能です。これらの振動は、光ベースの印刷プロセスを改善したり、3D プリントされた構造に別のパターン形成の自由度を追加したりするために使用できます。インターフェースパターンは、選択したプリントヘッドの形状、周波数、振幅、および基礎となる構造に対するインターフェースの位置によって異なります。光ベースの印刷を改善するために、音響変調により空気と液体の界面に毛細管重力波を発生させ、その下にある流体に流れを誘発し、最終的には材料輸送の強化により達成可能な印刷速度と忠実度を向上させます。

△ DIPにおける音の変調

技術的な特徴と利点

●材料の適合性: DIP 技術は、さまざまな材料、特に他の高速印刷技術では扱いが難しいことが多い柔らかい生体関連ハイドロゲルと互換性があります。
●サポート構造なしでの印刷:独自のガス-液体インターフェース設計により、DIP テクノロジーは追加のサポート構造なしで複雑な 3 次元モデルを直接印刷できます。
●高速かつ高解像度:効率的な材料転送メカニズムと微細な表面波制御を組み合わせることで、DIP はこれまでにない印刷速度と解像度を実現します。
●柔軟性と拡張性:小さくて繊細な部品でも、大きくて複雑な構造でも、DIP テクノロジーは簡単に処理でき、非常に高い柔軟性と拡張性を発揮します。

アプリケーション例の表示 研究チームは、次のような一連の実験を通じて DIP テクノロジーの威力を実証しました。

△DIP印刷機能

●バイオメディカルアプリケーション:組織工学用の生体適合性ハイドロゲル構造の印刷に成功し、細胞培養と疾患モデリングの新たな可能性を提供します。
●マイクロナノ製造：ミクロンレベルの微細加工サイズの精密制御を実現し、電子部品やセンサーなどのマイクロデバイスの製造に適しています。
●芸術的な創造とパーソナライズされたカスタマイズ: DIP テクノロジーは高速で柔軟性が高いため、クリエイティブなデザインやパーソナライズされた製品の製造に最適です。

研究結果 この研究の主な成果は、既存の技術の速度ボトルネックを克服するだけでなく、特にソフト材料やバイオ関連材料に適用可能な材料の範囲を拡大する新しい 3D 印刷方法の開発です。さらに、DIP 技術は、特殊な化学物質や光フィードバックシステムを必要とせずに、任意のサポートされていない構造を迅速に生成する能力を示しており、これは、高生存率の組織工学、大規模生産、ラピッドプロトタイピングなどの分野で非常に重要です。

今後の展望 将来的には、ダイナミックインターフェースプリンティング技術は、医療機器製造、航空宇宙部品製造、マイクロマシニング、人工臓器構築など、さまざまな分野で重要な役割を果たすことが期待されています。この技術の継続的な最適化と改善により、DIP は 3D プリント技術の革新と製造業の変化を促進する上で重要な力となるでしょう。研究チームは、より多くの応用シナリオを探求し続け、より革新的なソリューションを社会にもたらすために、印刷速度、解像度、材料の多様性の向上に努めていきます。

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