マイクロの積層造形

Nature volume 612、pages 685–690 (2022)この記事を引用

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メトリクスの詳細

金属積層造形 (AM) により、航空宇宙 2 から生物医学 3 の分野まで応用できる、高価値かつ高性能のコンポーネント 1 の製造が可能になります。 層ごとの製造により、従来の金属加工技術の幾何学的制限が回避され、トポロジー的に最適化された部品を迅速かつ効率的に製造できるようになります4,5。 既存の AM 技術は、部品の成形に熱で開始される溶融または焼結に依存しており、コストがかかり、材料が制限されるプロセスです 6、7、8。 我々は、バット光重合（VP）を介してマイクロスケールの解像度で金属および合金を製造するAM技術を報告します。 三次元構造のヒドロゲルに金属前駆体を注入し、その後焼成および還元してヒドロゲルの足場を小型の金属レプリカに変換します。 このアプローチは、VP におけるパラダイム シフトを表します。 材料は構造が製造された後にのみ選択されます。 印刷中にターゲット材料または前駆体をフォト樹脂に組み込む既存の VP 戦略とは異なり9、10、11、私たちの方法では、さまざまな材料に合わせて樹脂や硬化パラメータを再最適化する必要がなく、迅速な反復、組成調整、およびマルチマテリアルの製造機能が可能になります。 従来のプロセスでは製造が困難な、臨界寸法約 40 µm の金属の AM を実証します。 このようなヒドロゲル由来の金属は、高度に双晶化した微細構造と異常に高い硬度を有しており、高度な金属マイクロマテリアルを作成するための経路を提供します。

金属 AM は、主に粉末床融合 12 および指向性エネルギー堆積 13 プロセスによって実現されます。 層ごとのプロセスにより、金属マルチマテリアル 14 や段階的機能複合材料 15 の製造が可能になりますが、そのようなレーザーベースのプロセスでは銅などの材料を製造するのが困難です。 高い熱伝導率と低いレーザー吸収率により、溶融または焼結の熱の開始と局所化が困難になります16。 バット光重合 (VP) は、光で開始されるフリーラジカル重合を使用して部品を成形する有望な代替手段です。 デジタル光処理 (DLP) 印刷では、紫外線の 2 次元画像をフォト樹脂浴に投影し、3 次元 (3D) 構造の層全体を同時に硬化することでこれを実現します。 DLP は高速印刷 17 が可能であり、サブマイクロメートルの解像度で実証され 18、靴底の直接製造 19 から 新型コロナウイルス感染症検査綿棒 20 まで、さまざまな商業用途があります。 VP は主にポリマー 21、22、23 での使用を目的として開発され、ガラス 9 やセラミック 10 でも実証されています。 しかし、適切な前駆体を溶液 24、スラリー 25、または無機有機混合物 26 としてフォトレジンに組み込む際の課題のため、無機材料の選択は依然として限られています。 したがって、VP を使用した金属の製造は依然として課題です。 オランら。 は、ヒドロゲルを「ナノ製造リアクター」として使用することにより、ナノスケールの銀のAMを実証しました。27,28では、二光子活性化が前駆体の浸透を誘導し、3D材料を体積的に堆積させます。 Vyatskikh et al. は、二光子リソグラフィーを使用してアクリル酸ニッケルを含む無機有機樹脂をパターン化し、その後熱分解と H2 還元を行うことにより、ナノスケールのニッケルの AM を実証しました 26。 ただし、これらの先駆的な研究は材料の範囲が限られており、新しい材料ごとに複雑な樹脂設計と最適化が必要です。 直接インク書き込みや材料噴射など、あまり一般的には使用されていない他の金属 AM 技術では、それぞれノズルからの押し出しと結合剤の制御された堆積を使用して部品の形状を定義します。 これらの方法は、部品の形状を定義するために熱を使用するという課題を回避します。 銅材料は、直接インク書き込み 29 や材料噴射 30 によって製造されてきましたが、どちらの技術でも 100 μm 未満のフィーチャーサイズの銅部品は製造されていません。