複雑で高解像度の構造を高精度かつ低コストで3Dプリント

September, 12, 2024, Washington--パデュー大学の研究者は、2つのレーザを使用して複雑な高解像度構造を3Dプリントする新しい2光子重合技術を開発した。この進歩により、この3Dプリンティングプロセスのコストが下がり、様々な用途でより広く使用されるようになる可能性がある。

2光子重合は、従来からフェムト秒レーザを使用して材料を精密な3Dで重合する高度な積層造形技術である。このプロセスは、高解像度の微細構造の作成には適しているが、フェムト秒レーザは高価であり、部品のプリントコストが高くなるため、製造には広く使用されていない。

「可視光を放射する比較的低コストのレーザと赤外線パルスを放出するフェムト秒レーザを組み合わせて、フェムト秒レーザのパワー要件を削減した。このようにして、所定のフェムト秒レーザ出力で、プリンティングスループットを向上させることができ、個々の部品をプリントするためのコストを削減できる」と、研究チームリーダーのパデュー大学のXianfan Xuは説明している。

Optica Publishing Groupの学術誌「Optics Express」に掲載された論文では、2レーザアプローチでは、フェムト秒レーザを単独で使用する場合と比較して、必要なフェムト秒レーザ3Dプリントのパワーが最大50%削減されることが示されている。

「高解像度の3Dプリンティングには、3Dエレクトロニクスデバイス、生物医学分野向けのマイクロロボット、組織工学用の3D構造や足場など、多くのアプリケーションがある。われわれの斬新な3Dプリンティングアプローチは、既存の多くのフェムト秒レーザ3Dプリンティングシステムに容易に実装できる」(Xu)。

適切なレーザバランスを見つける
今回の研究は、感光性材料を精密に硬化(固化)させる2光子重合のプリンティング速度を継続的に向上させ、プリントコストを削減する研究チームの取り組みの一環である。

「従来の2光子重合プリンティングプロセスでは、プリント開始前にフェムト秒レーザを使用して、材料中の阻害種を低減する光化学プロセスを開始する。この目的のために、代わりに低コストのレーザを使用した」(Xu)。

この新しいアプローチは、532nmナノ秒レーザからの単一光子吸収と800nmフェムト秒レーザからの2光子吸収を組み合わせたものである。これを機能させるには、研究者は2つのレーザによって引き起こされるプリンティングと抑制の間の適切なバランスを見つける必要があった。チームは、関連する光化学プロセスを理解し、2光子励起プロセスと単一光子励起プロセスの複合効果を計算するのに役立つ新しい数学的モデルを作成することによってこれを実現した。また、このモデルを使用して、フェムト秒レーザの出力をどれだけ低減しながら、望ましいプリント結果を達成できるかを制御する主要なプロセスを特定した。

詳細構造のプリンティング
新しいアプローチを微調整した後、フェムト秒レーザ出力を下げて様々な2Dおよび3D構造をプリントするために使用した。これらには、わずか25〜25×10μm×詳細な木材の山や、ミクロンスケールのバッキーボール、キラル構造、三つ葉の結び目が含まれていた。実験結果によると、フェムト秒レーザに必要な出力は、2D構造で最大80%、3D構造で最大約50%削減された。

「この新しいプリンティングアプローチは、製造技術に影響を与え、現在および将来のコンシューマエレクトロニスおよびヘルスケア分野全体のデバイス開発に影響を与える可能性がある」とXuは話している。
研究チームは現在、3Dプリントのさらなるプリンティング速度の向上とコスト削減に取り組んでいる。