小さく複雑なガラス製コンポーネントを数分で3Dプリント

May, 20, 2022, Freiburg--ガラスは､傑出した透明性､熱や化学薬品と接触した際に安定性があるので､多くのハイテクアプリケーションに関連している｡しかしガラス成形の従来プロセスは､退屈､エネルギー集約的､小さくて複雑なコンポーネントで直ぐに限界に達すことがよくある｡
　フライブルク材料科学､Dr. Frederik Kotz-HelmerとDr. Bastian E. Rapp教授は､米国UC Berkeleyと協力して､新しいプロセスを開発した｡これは､透明ガラスから非常に小さなコンポーネントをマイクロ3Dプリンティングを利用して､迅速かつ精確に造ることができる｡研究成果は､Scienceに発表された｡

プラスチックバインダ内にガラス粉末
　その新技術は､いわゆるGlassomer材料をベースにしている｡これは､フライブルク大学､マイクロシステムエンジニアリング学部(IMTEK)でKotz-HelmerとBastian E. Rappが開発した｡｢Glassomer材料は､特殊プラスチックバインダ内のガラス粉末でできており､ガラス加工はプラスチックのようにできる｣(Kotz-Helmer)｡結果としてのコンポーねとは､次に炉に入れてプラスチックを燃やし､ガラスが焼結される｡つまり高密度化される｡｢最終的に､コンポーネントは､100%の高い透明性の溶融シリカガラスとなる｣と同氏は説明している｡

コンポーネントはシングルステップで作製される
フライブルクの研究者は､Glassomer材料と､UC BerkeleyのDr. Hayden Taylor教授が開発した新しい3Dプリンティングプロセスを統合した｡従来のス3Dプリンタは､物体を層ごとにプリントする｡しかし､新しいプロセス､Computed Axial Lithography (CAL)では､コンポーネントはシングルステップで製造される｡液体､感光性材料を入れた容器は､多くの異なる角度から､プリントされることになっている物体の2D光画像に晒される｡画像がオーバーラップし､吸収される光の量が､局所的にある閾値を超えると､材料は突然硬くなる｡数分以内に､コンポーネントが形成される｡まだ液体材料のままの余剰部分は､洗い落とすことができる｡

髪の毛サイズの構造
｢原理的に､このプロセスはGlassomer材料に適している｣(Kotz-Helmer)｡この目的でフライブルクの研究者は､ガラス粉末とプラスチックでできた材料を開発した｡これは､高い透明性があり､適切な閾値で素早く硬くなる｡｢ここで､厄介なことは､化学的内容である｣と材料科学者は言う｡以前､CALプロセスは､比較的粗い構造にしか適していなかった｡フライブルク大学の材料科学専門技術とプロジェクトパートナー､フライブルクのスピンオフ､Glassomer GmbHを結びつけ､UC Berkeleyのシステム技術をさらに開発し､今では､これらの技術を統合して改善することが可能になった｡｢初めてわれわれは､50µm範囲の構造のガラスをわずか数分でプリントすることができた｡これは､ほぼ髪の毛の細さに対応する｡加えて､コンポーネントの表面は､従来の3Dプリンティングプロセスよりも滑らかである｣(Kotz-Helmer)

脆弱なプラスチックの代用としてのガラス
Kotz-Helmerは､その革新的製法の可能なアプリケーションは､例えば､センサ用の微細光学コンポーネント､VRヘッドセットや最新の顕微鏡にあると見ている｡｢そのようなコンポーネントを高速､大きな形状自由度で製造できることで､将来､新しい機能やよりコスト効果の高い製品が可能になる｣｡

マイクロ流体チャネルは､研究や医療診断向けのいわゆるlab-on-a-chipシステムでも必要とされている｡これまで､こらは､ほとんどがプラスチック製だったが､高温や侵襲性の強い化学薬品に耐性がなかった｡新しいプロセス技術により､今後は､複雑なチャネルシステムがガラスで製造できる｡｢ガラスの熱や化学薬品に対する安定性により､多くの新分野への応用が開かれる､特に化学的on-a-chip合成領域である｣とKotz-Helmerは､コメントしている｡

(詳細は､https://kommunikation.uni-freiburg.de/)