セラミック 3D プリンティングの画期的な進歩

2023年5月15日レポート

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

査読済みの出版物

信頼できる情報源

校正する

Peter Grad著、Tech Explore

江南大学の中国の科学者にとって、将来の物の形はセラミックスラリーと3Dプリントにかかっています。

Liu Ren 教授率いる大学の科学者たちは、従来の 3D プリンティングではこれまで不可能だった複雑な形状の構築を可能にする技術を開発しました。 彼らは、近赤外線にさらされるとほぼ瞬時に固体になるセラミック調合物を作成することでこれを実現しました。

3D プリンティングで使用されていた初期のプロセスの利点は、精度、速度、経済性の問題によって相殺されることがよくありました。

たとえば、レーザービームを使用してプラスチック、金属、ガラス、またはセラミック粉末の小さな粒子を固形物体に融合する光造形では、一般に、コンポーネントが固化するまで大規模または奇妙な形状の構造を所定の位置に保持するための支持構造の製造が必要です。 。 これにより、大規模なプロジェクトでは時間とコストが増加します。

支持構造を使用する場合、ステレオリソグラフィーであっても、その他の関連アプローチであっても、最終的には除去する必要があります。 これにより、寸法精度と表面の平滑性に関する潜在的な問題が生じます。 さらに、支持構造を除去すると、追加の重量応力により微小亀裂が発生したり、さらには構造破壊が発生したりする可能性があります。

サポート構造を使用せずに製造を可能にする代替セラミック製造プロセスでは、コンポーネントを硬化するために紫外線を使用していました。 これらのプロセスでは、硬化段階でのより優れた空間制御の恩恵を受けました。 しかし、そのアプローチには、セラミックスラリーを透過する紫外線の能力の限界がつきまとっていました。

江南大学の科学者は回避策を発見しました。 彼らは、紫外線ではなく近赤外線に基づいた硬化プロセスを備えたセラミックペーストを使用することで、より耐久性が高く、より短い製造時間で物体を構築できることを発見しました。

「照射強度と印刷速度を調整することで、支持体を使用せずに、押出中にセラミックスラリーをその場で硬化させることができる」と科学者らは、最近ネイチャーコミュニケーションズ誌に掲載された報告書の中で述べている。

「押し出されたフィラメントの強度と自立能力が向上することで、製造精度が向上します。さらに重要なのは、3D プリンティングの柔軟性により、たわみや傾きの欠陥を発生させることなく、低角度や水平オーバーハングさえも簡単にプリントできることです。」

彼らは、プリンターのノズルから押し出された直後に、空中でその形状と安定性を維持するのに十分な強度を持つ複雑な物体を構築することができました。

紫外線プロセスと近赤外線プロセスの結果を比較したところ、科学者らは大きな違いを発見しました。 スラリーの硬化深さ（硬化）をテストしたところ、紫外線下では 2 分強で硬化深さが 1.02 mm に達することがわかりました。 しかし、近赤外線を使用すると、露光時間はわずか 3 秒でありながら、硬化深さは紫外線の 3 倍になりました。

研究者らは研究結果を要約して、「インク成分と印刷パラメータ（ノズル径、押し出し圧力、移動速度、光強度など）を最適化することで、より高い解像度とユニークな外観を備えたオブジェクトを得ることが可能になる」と述べた。

彼らは、近赤外線印刷アプローチのさらなる研究により、「サポートなしで製造されたセラミック形状は、より多くのイノベーションを生み出し、積層造形技術の応用を[拡大]するのに役立つだろう」と自信を表明した。

詳しくは： Yongqin Zhao et al、近赤外線補助直接インク書き込みによるサポートされていないマルチスケールおよび大スパンセラミックの 3D 印刷、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-38082-8

© 2023 サイエンス X ネットワーク