高機能グラデーションを製造するためのグレースケールデジタル光処理3Dプリント技術

出典: EngineeringForLife、EFL より

3D プリンティングの応用は、ラピッドプロトタイピングから組織工学、電子機器、ソフトロボティクスなどの分野へと徐々に拡大しています。しかし、現在のほとんどの 3D 印刷方法では、単一の材料特性または複数の個別の材料特性を持つ部品しか印刷できず、複雑な機械的勾配を制御することはできません。このため、調整可能な材料特性を持つ機能的に傾斜した材料を単一の印刷プロセスで 3D 印刷することがますます重要になっています。

科学誌「Science Advances」に掲載された研究論文では、DLP 3D 印刷原理に基づいたグレースケール処理 3D 印刷方法が提案されており、これを使用して、制御可能な機械的特性を持つ構造を 3D 印刷することができます。

機能勾配は3桁に達する<br /> 研究論文のタイトルは「高度に機能的に傾斜した材料のためのグレースケールデジタル光処理 3D プリント」です。この研究では、まずグレースケール処理によって印刷パターンを光硬化し、特定の場所の構造にカスタマイズされた機械的特性を与え、次に熱硬化の2番目のステップを実行して残留モノマーのほとんどを除去し、性能勾配を強化しました。この方法を使用することで、印刷された構造の機械的特性分布をカスタマイズすることができ、2D および 3D の格子や単位セル構造の印刷に使用したり、メタマテリアルの機能的アプリケーションに使用したりできます。

まず、研究者らは、2 段階硬化ハイブリッドインク (図 1) を使用する印刷システムを設計しました。スライス後の各画像は、MATLAB コードを使用して処理され、必要な属性に応じてグレースケール分布が生成され、その後、グレースケールパターンに処理された各レイヤーの画像が印刷されます。

図 1 2 段階硬化による機能傾斜材料の DLP 3D プリント。
第二に、研究者らは、DLP技術が中空構造を印刷できるという事実を利用し、さまざまな印刷構造を設計・製造し、特定のグレースケール処理を通じて印刷構造の圧縮変形を制御しました（図2）。

図 2 メタマテリアルはグレースケールで印刷でき、さまざまな機能アプリケーションを実現できます。
印刷された材料は異なる駆動温度で形状記憶効果を示すという現象（図3）のため、研究者らはいくつかの異なる構造に対してDLP印刷を実行しました。その結果、温度が変化すると印刷された構造の形態も変化することが示されました。

図 3 連続形状記憶ポリマー部品および 4D 印刷アプリケーション用の複合材料のグレースケール処理 DLP 印刷。
最後に、研究者らは、グレースケールに関連する拡散率を変更することで、グレースケール処理パターンを可視化しました（図4）。印刷された可視化パターンは可視光では明らかではありませんが、紫外線下では表示できます。蛍光顔料の着色機能と組み合わせることで、暗号化や偽造防止への応用が可能になります。

図 4 拡散補助シェーディングによる傾斜材料の高密度化。
一般的に、本研究では、グレースケール処理を活用し、温度硬化を補完する DLP 印刷技術を提案し、複雑な形状やカスタマイズされた機能を持つ部品の高精度な製造を実現しました。同時に、この 2 段階硬化戦略は、同じ化学概念を持つ他の樹脂材料システムにも拡張できます。グレースケール DLP によって生成される、幅広く調整可能な機械的勾配は、3D 印刷に新しい機能特性の組み合わせをもたらします。

この方法には、解決すべき緊急の課題がまだいくつかあることは無視できない。まず、印刷構造の解像度は、プリンター、印刷材料、印刷パラメータによって影響を受けます。第二に、使用される材料の分子構造と印刷された構造の機械的特性との関係を、ナノスケールの機械的試験およびモデリング手法を使用してさらに理解する必要があります。将来的には、グレースケール処理 DLP 印刷方式は、術前モデル計画、ソフトロボット、偽造防止などの分野での応用に大きな可能性を秘めています。

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