色純度の高い3Dプリント

現在、粉末焼結プロセスによって色忠実度の高い白およびカラーの 3D 印刷物を製造するプロセスは、印刷プロセスで使用される感熱剤の脱色によって制限されています。 ここで、研究者は、高濃度でも無色の切り替え可能なフォトクロミック酸化タングステン ナノ粒子を使用することで、この問題を解決しました。 酸化タングステンナノ粒子は、紫外線照射下で可逆的に活性化され、赤外線の吸収率が高くなります。

近年、新世代の高機能複合材料が登場し、ナノマテリアルのユニークな特性を利用して、従来の製造および高度な製造の分野に新しいダイナミックな分野を切り開きました。 3D印刷に使用される材料の初期の例は、ポリマーをセラミックナノ粒子（NP）（アルミナやナノクレイなど）とブレンドして、印刷物の機械的特性を改善することによってナノコンポジットを作成することでした。最近では、カーボンナノロッド、グラフェンなどのカーボンナノ材料がコアシェル構造は、レーザー焼結による 3D 印刷の機械的特性の改善や、さまざまな方法による導電性物体の製造に使用されています.銀ナノ粒子は、抗菌 3D 印刷の作成にも使用されています。触媒反応用の電気化学反応器、圧電アクチュエーターおよびセンサーは、BaTiO3 NP ポリマー ナノ複合材料を使用して印刷されています。

ナノマテリアルが現在の積層造形 (AM) 技術を弱体化させることが示されているもう 1 つの分野は、オブジェクトの美的特性の制御です。従来の 3D プリントはモノクロで印刷され、後で塗装または染色する必要があります。これに先立ち、異なる色の粉末を分類して「デュアルトーン」効果を生み出す実験がいくつか行われましたが、これは退屈なプロセスです.最近の研究では、Hopkinson らによって開発された「高速焼結」方法の使用に焦点が当てられています。 . その過程で、カラーインクとサーマルインクが一緒に粉体に噴射されます。ただし、これらのプリントの色忠実度は、使用する増感剤の性能に大きく依存します。金ナノロッド (GNR) は光熱増感剤として使用でき、低出力の光源を使用して、ポリマー粉末を 3D オブジェクトにすばやく焼結して、美的特性を大幅に変更することはありません。これは、金属の共鳴吸収を調整することによって達成されます。

GNR は近赤外線 (NIR) に入り、可視光では弱い吸収のみを残します。この研究は優れた結果を示しましたが、光熱増感剤として金ナノロッドを使用することには依然としていくつかの欠点があります。 GNR は、新しい高性能ポリマー (PEEK など) の焼結に必要な非常に高い温度 (融解温度 343 C) では安定しませんが、GNR は可視スペクトル範囲で本質的に弱いことが不可欠です。高濃度使用の印刷物であり、印刷物の色純度に影響を与えずに使用できる GNR の数には固有の制限があります。実際、これは、光熱研究で使用されるほとんどすべてのプラズモン吸収体にとって問題です。これは、多数の NP が存在する場合、可視光での吸収テールが重要になるためです。

3Dプリントでより高い色純度を実現するために、熱を発生させる永久吸収体を使用する代わりに、切り替え可能な吸収体を使用することで、高い色純度と白色度のオブジェクトを印刷できることを想定しています。これは、色の濃い粉末が印刷物の色域を制限し、バーコードや、印刷物の美観や用途に悪影響を及ぼす可能性があるため重要です。これは、光熱焼結を促進するために必要な場合にのみ、強い光吸収特性を持っています。さもなければ、透明になります。本質的に、これらの切り替え可能な吸収体は、プログラム可能な要素として使用されます.3D印刷プロセスでは、それらをプログラムし、それらをオンにして光熱増感剤として使用するように光学的にプログラムし、次に光熱増感剤として使用する方が良いです.このため、研究者は外部からの光刺激によって吸収が変化するフォトクロミック材料を使用しようとしています。

スペインのバルセロナにある光科学研究所の研究者は、2020年4月27日にNano Lettersで新しい増感剤を発表しました。 増感剤は上記の問題を簡単に克服することが証明されています。



(A) 20 秒間の UV 照射前後の GNR、カーボンブラック、WO3 ナノ結晶の吸収グラフ。わかりやすくするために、各材料の濃縮溶液を含むバイアルの写真も示しています。 (B) 808 nm レーザーは、サンプルが紫外線によって励起されている間、WO3 溶液を透過します。挿入図は、WO3 NP の TEM 画像を示しています; スケール バーは 20 nm を表します。 (C) 照射前後の粒子のラマンスペクトル。照射前 (d) と照射後 (e) の WO3 NC からの W 4f コア レベルの XPS スペクトル。

彼らの研究では、研究者は、酸化タングステンでできたナノ粒子をポリマー粉末の光熱増感剤として使用したことを報告しました。これらのナノ粒子には低コストの元素が含まれているため、製造が容易で安価です。高濃度では無色で、近赤外線領域に強い吸収があるため、光を高速で熱に変換できる高速定着剤です。また、電気や紫外線で効果的に点灯・消灯させることができます。さらに、それらは非常に高温でも非常に安定であり、他の入手可能な増感剤と比較してより高い率の変色を示します。最後に、これらのナノ粒子は、他のカラー インクと混合したときに、元の粉体と同じ色相を再現することができ、元のサンプルの色純度を維持することができました。



 レーザー焼結サンプルの含有量は0.08重量％です。 CB-PA12 粉末 (a)、1%wt。 WO3-PA12粉末(b)、および0.03重量%。 GNR-PA12パウダー。サンプルは、中空の文字を持つ焼結された長方形です。 (等しいカロリーを提供する濃度を選択してください)。 (D) 異なる濃度のカラー インクを 3 つの粉末にドロップし、各原色に対する NP 吸収の影響を強調する写真。

この研究の結果により、プラズモニック ナノ粒子を使用する新しい方法が開かれました。このナノ粒子は、高度な製造プロセス向けに高品質の 3D マルチカラー オブジェクトを生成するために使用できます。