印刷の最前線を巡る

ある研究所の科学者が高品質のリサイクル可能な衣類の基礎としてグラフェンの使用を調査している研究環境は多くありません。 廊下に沿って、彼らの仲間は日本古来の木版画技法である木版画のコースを走っています。 しかし、それはまさに、 版画研究センター (CFPR) で 西イングランド大学 (UWE) はブリストルにあり、芸術 - 科学と産業界 - 学界の分断が日常的に橋渡しされています。

収束、コラボレーション、共創の精神に従い、CFPR は、上級研究者、大学院生、技術専門家、見習いを結集する学際的な企業です。 ファインアートの版画やデザインから、物理学、材料科学、エンジニアリングまで、あらゆる分野で活躍しています。 彼らの目標は、創造的な印刷の実践、プロセス、および技術の芸術的、歴史的、および産業上の重要性を実証的に調査することにより、印刷の未来のための革新的なソリューションを提供することです。

応用物理学者

新しい研究経路への適応性と開放性は、CFPR の前提条件です。 たとえば、応用物理学者 スザンヌクライン. クラインは医学物理学を学んだ後、光学研究に転向しました。 その後、彼女は産業研究開発科学者として XNUMX 年を過ごしました。 HP研究所 ブリストルで、彼女の研究プログラムは、コロイド化学、液晶、高度なディスプレイ材料から、3D 印刷技術や光学暗号にまで及びました。 現在、Klein は CFPR で 1.2 年間のプロジェクトを率いています。 19 万ポンドの資金が投入されたその目的は、さまざまな XNUMX を再考することです。^th-世紀の印刷プロセスにより、より安く、より速く、よりアクセスしやすくなりました。

Klein が研究し、現代化する手法の XNUMX つに、Woodburytype があります。これは、写真の連続階調を再現する最初の商業的に成功した写真製版印刷方法でした。 1864 年に英国の発明家ウォルター ウッドベリーが特許を取得したこのプロセスは、当時使用されていた写真技法である「湿式コロジオン」ネガから始まります。 ネガは、乾燥した二クロム化ゼラチンの層の上に置かれ、約60分間日光に当てられます。 ネガを通して光にさらされていないゼラチンは水溶性のままで、簡単に洗い流されます。

その結果、画像の驚くほど堅牢な 3D レリーフ (金型) が作成され、油圧プレスを使用して鉛に押し込むことができます。 次に、鉛の印刷版に油を塗り、煤で着色した温かいゼラチンで満たし、印刷機に入る前に紙で覆います。 約10分後、紙をはがし、インクが乾いたら、印刷物を平らにしてトリミングします。 当初、XNUMX 枚のゼラチン レリーフから最大 XNUMX 枚の印刷版を作成でき、これらを印刷カルーセルに取り付けて大量印刷することができました。

「Woodburytype のプリントは着色ゼラチンをベースにしているため、すすやカーボン ブラックは非常に「耐光性」が高く、極端な湿度にさらされない限り、ゼラチンは劣化したり化学的に変化したりしないため、完全にアーカイブ可能です」と Klein 氏は言います。 「元のプロセスは時間がかかり、リソグラフィが普及したときに時代遅れになりましたが、画質は卓越したものです。 今日でもウッドベリータイプは唯一の連続階調写真製版法です。」

この技法を再検討する中で、クラインと彼女の同僚は、現代の素材でウッドベリータイプの版画を作成するための 60 つの代替ルートを開発しました。 「10 つの方法では、元のワークフローに従いますが、二クロム化ゼラチンを感光性樹脂に置き換え、シリコンを鉛に置き換えます」と Klein 氏は説明します。 このようにして、露光時間は 15 分から数秒に短縮され、印刷版は数日ではなく数時間で作成できます。 さらに高速な方法では、レーザー カッターを使用してアクリルにレリーフを作成します。たとえば、10 x XNUMX cm の印刷版を XNUMX 分で作成します。 レーザーカッターの精度は、フルカラー画像を作成するために必要なシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのレイヤーを簡単に重ねて印刷できることも意味します。

どちらの方法も、オリジナルの芸術作品を作成するための芸術家にとって魅力的ですが、アートインスタレーションや公共スペースでの商業広告用のハイエンドの写真複製を作成する環境に優しい方法を求める企業にとっても興味深いものです。 利点は、印刷版のレーザー切断はエネルギー効率が高く、廃棄物がほとんど発生しないことです。一方、インキはゼラチンベース (食肉加工産業の廃棄物) です。 さらに、印刷物は生分解性であり、インクは水洗いで紙から取り除くことができます。

別の調査領域 クラインは「構造色」の工業的応用に関与しており、色は顔料ではなく、光を独自の方法で反射および屈折させる微細なパターンによって生成されます（蝶の羽のように）。 興味深いオプションの XNUMX つは、コレステリック (キラル ネマティック) 液晶の追加層をウッドベリー タイプのレリーフに導入して、構造色を印刷することです。 適切な材料を使用すると、液晶は層によって方向付けられ、元の印刷された色は、双安定ディスプレイと同じように、磁場または電場を適用することによって変化します。

可能性のあるアプリケーションには、高級品のラベル付け、デザイナー ファッション、医薬品の偽造防止などがあります。 「ここでの商業的機会は重要です」と Klein 氏は付け加えます。 「課題は、商品が顧客に届くまでのサプライ チェーンのさまざまな段階で承認されるたびに色が変わる印刷インクを使用して、安全なパッケージを作成することです。」

材料科学者

クラインの同僚 ナズムル・カリム – センターの研究リーダー グラフェン応用研究室 – は、CFPR の学際的なるつぼに合わせて作られているように見えるもう 2019 つの学問です。 XNUMX 年に UWE に入社する前、Karim は XNUMX 年間、グラフェンベースの高性能機能服とウェアラブル電子テキスタイル (e-テキスタイル) に取り組んでいました。 国立グラフェン研究所 マンチェスター大学、 イギリス。

CFPR の一部である彼の現在の研究対象 新素材プログラム – グラフェンの準備（剥離と機能化による）、グラフェンおよびその他の e-テキスタイル アプリケーション用の 2D 材料を含む。 Karim はまた、コーティングや印刷 (つまり、テキスタイルに直接適用されるグラフェン「インク」を使用) などの高度にスケーラブルな製造技術を使用して、グラフェン ウェアラブルを作成する方法も研究しています。 「私のチームは、非侵襲的なパーソナライズされたヘルスケア アプリケーションのために、スマート マテリアルと人工知能をプリンテッド エレクトロニクスに導入することに情熱を注いでいます」と Karim 氏は言います。

主に博士課程の学生が行った研究に基づく、グループの最新の結果 Md. ラシェドゥル イスラム、具体的な商業的機会が形になっていることを示します。 イスラムは、完全に印刷され、導電性が高く、柔軟性があり、洗濯機で洗える多目的な電子テキスタイル プラットフォームを開発しました。 この材料は、印刷されたグラフェン スーパーキャパシタを使用してエネルギーを蓄えながら、心拍数、皮膚温度、さまざまな活動指標などのさまざまな生理学的指標を監視できます。 さらに印象的なのは、別のヘッドバンドに加工した場合、プロトタイプの e-テキスタイルは、従来の硬質電極と同じ基準で脳活動 (脳波または EEG) を記録できることです。 現時点では、スーパーキャパシタは外部電源を使用して充電されますが、目標は、エネルギー ハーベスティング機能を導入することで、将来的には自給自足できるようにすることです。

製造プロセスは、グラフェンベースのインクが粗くて柔軟なテキスタイル基板にカスタム設計されたメッシュを通過する、高度にスケーラブルなスクリーン印刷技術を利用しています。 導電性トラックは、絶縁と保護のためにカプセル化され、洗濯機で洗える e-テキスタイル プラットフォームを生成します。 このような初期段階の成功により、多機能のグラフェン ベースの e-テキスタイル ガーメントの大量生産への道が開かれることが期待されています。このガーメントでは、各アイテムにウェアラブル センサーのネットワークがあり、グラフェン ベースに蓄えられたエネルギーによって電力が供給されます。テキスタイルスーパーキャパシタ。

これに関連して、Graphene Application Laboratory は、高品質のリサイクル可能な衣類の基礎として、グラフェンやその他の機能性材料 (抗菌コーティングを含む) の使用を検討しています。 現在、テキスタイルの約 55% は合成ポリエステルで作られています。最も一般的なのはポリエチレン テレフタレート (PET) で、生分解性がなく、何百年も環境に残る可能性があります。 「当然のことながら、ファッション ブランドや小売業者は、バージン PET から、環境への影響を抑えたリサイクル ポリマー (rPET) ベースのポリエステル生地に移行することへの関心が高まっています」と Karim は言います。

問題は、rPET の現在の繰り返しが熱老化に悩まされ、リサイクル プロセス中に他の材料とランダムに混合された結果として劣化することです。 まだ初期の段階にあると Karim 氏は述べていますが、CFPR の初期の結果は有望であり、グラフェンで強化された rPET は、より軽く、機械的により堅牢で、リサイクルしやすい繊維に紡がれています。 「これは長期戦になるでしょう」とカリム氏は付け加えます。 つまり、私たちのような学術グループは、グラフェン サプライヤー、テキスタイル メーカー、ファッションや衣料品の大手小売業者と協力して取り組んでいます。」

セラミックデザイナー

まったく異なる製造機会が先取りされます タフス・ヨルゲンセン、彼は学界でのキャリアを追求する前に、陶器業界の工芸陶芸家およびデザイナーでした。 Jorgensen は、CFPR の R&D 取り組みの先頭に立っています。 デジタルマニュファクチャリング、これまで制限されていた 3D プリント技術、コンピューター制御の機械加工、セラミック生産におけるロボット工学の応用を加速させることを目指しています。

Jorgensen と彼のチームは、押出と呼ばれる製造プロセスに特に関心を持っています。 これは、柔らかくて成形可能な粘土が、材料に特定の断面形状を与えるチャネルまたは「ダイ」に押し込まれ、レンガなどの個々の部品を製造するために断片に切断できる連続した線形の粘土ストリップを生成する場合です。 、タイル、クラッディング、その他の建築コンポーネント。 工業用押出機は、触媒コンバーター用のフィルターや炉やオートクレーブ用の高温部品など、特殊なセラミック部品を製造するために使用されます。 一方、手作業の押し出しシステムは、プレスや鋳造などの他の生産方法をサポートするハンドルやワンオフの装飾要素を作成するために、クラフトワークショップでよく見られます。 「私たちの課題は、デジタル技術とロボット工学をどのように活用して、現在の粘土押し出しの使用をより革新的な商用およびデザイン主導のアプリケーションに拡張できるかということです」と Jorgensen 氏は言います。

チームのデフォルト設定は、主に実際の実験に基づいています。 「テストは、非常に予測不可能な結果を​​もたらす自由な調査として実行されることがあります。このアプローチは主に好奇心に駆り立てられます。これを行うとどうなるでしょうか?」 基本的な物理的および材料的洞察は、粘土の挙動を理解する上で重要な要素です。 たとえば、乾燥と焼成中に、押し出された粘土片は約 10 ～ 15% 収縮し、押し出しプロセスの張力によって曲がったり、割れたりすることがあります。

「粘土の押し出しの性質により、結果の理論計算が困難になります。ただし、押し出し状況での粘土の流れを予測するのに役立つアルゴリズムを開発するために、いくつかの作業が行われています」 日和見主義的な学際的な提携で、ヨルゲンセンは次の専門知識に目を向けました。 ダミアン・リーチ – 元 CFPR 理論物理学者で、現在はベルギーのナノエレクトロニクス センターに勤務 アイメック – 特定の金型形状が粘土の押し出しに必要な圧力にどのように影響するかを予測するモデルを開発する。 Jorgensen 氏は次のように付け加えています。「経験的なテストが調査の中心的な方法論であり続けていますが、理論モデリングは非常に貴重であることが証明されており、実際の物理実験でどのジオメトリを展開するのが最適かについての基本的な理解を提供しています。」

チームはまた、3D プリント用の斬新な金型設計を迅速に試作およびテストできるようにするツーリング ワークフローを作成しています。これにより、高性能産業用途におけるセラミック押出の用途が開かれています。 中心にあるのは、CFPR の R&D コラボレーションです。 ナショナル コンポジット センター (NCC) ブリストル。 彼らは、セラミック マトリックス複合材 (CMC) の押出成形の可能性に関心を持っています。CMC は、セラミック ペーストを無機結合剤と混合して、機械的または熱機械的負荷下での破壊靭性を高める材料のクラスです。

CFPR/NCC パートナーは現在、サポート ツール、ジグ、コンポーネント、およびワークフローを含むプロセスの詳細を定義し、反復しています。 しかし、長期的には、発電や航空宇宙などの分野であらゆる用途に目を向けており、CMC が高温熱シールド システムにますます使用されるようになっています。 「押出は、CMC を製造するまったく新しい方法です。この研究により、複雑な内部構造を持つパイプやプロファイルなど、風変わりな形状の CMC 部品を作成する機会が開かれます。」 このような CMC パイプは、次世代の原子力発電所の関心を集めていますが、押出プロセスは、英国の建築材料のネットゼロ カーボン目標をサポートする可能性を秘めています。Jorgensen と同僚は、未焼成の粘土と繊維の混合物の押出を低エネルギーのために研究しています。カーボンビルディングコンポーネント。

オープンな考え方とオープンなビジネス

収束、コラボレーション、共創が CFPR 研究モデルの基本である場合、従来の印刷分野とデジタル印刷分野の両方で活動するアーティスト、デザイナー、科学者、技術者のセンターのブレンドも同様です。

このグループには、さまざまなバックグラウンドを持つ人々が集まり、産業界だけでなく学界の研究者も集まります。 この専門知識と経験の組み合わせは、CFPR の広範な国際的な学術および産業のコラボレーションをサポートしています。 専門の印刷会社、セラミック メーカー、多国籍技術企業などの商業パートナーと提携しています。 共同研究開発プロジェクトは、対象を絞った契約研究や実現可能性調査から、高度な材料、プロセス、完全な印刷システムの共同開発にまで及びます。

CFPR でのコラボレーションに関する厳密なルールブックは存在しないことは明らかです。むしろ、オープンマインドな考え方と創造性、科学技術の革新を高度な印刷の実践に融合させるというテーマのバリエーションがあります。