Investigation of potential of vacuum-free femtosecond laser sintering for direct printing using silicon carbide nanoparticles without inorganic binder

無機バインダー無添加炭化ケイ素ナノ粒子を用いたガラス基板上への直接描画のための真空フリーフェムト秒レーザー焼結の可能性調査

川堀 龍*; 渡部 雅  ; 今井 良行  ; 植田 祥平   ; Yan, X. ; 溝尻 瑞枝*

Kawabori, Tatsuru*; Watanabe, Masashi; Imai, Yoshiyuki; Ueta, Shohei; Yan, X.; Mizoshiri, Mizue*

本研究では空気中におけるナノ粒子を使用した炭化ケイ素(SiC)のフェムト秒レーザー焼結の可能性を調査した。ポリビニルピロリドンとエチレングリコールを含むSiCナノ粒子インクは、780nmの波長でナノ粒子による強い吸収を示した。走査速度1mm/sでは焼結フィルムパターンの表面から底部まで全体が酸化しており、過剰なエネルギー照射により酸化ケイ素が生成したと考えられる。対照的に、走査速度5mm/s及び30mのラスターピッチのレーザー走査で作製されたパターンでは焼結領域が観察され、表面から1.72mを除き、原料のSiCナノ粒子の酸化に有意な差は見られなかった。これらの結果からフェムト秒レーザーパルスの照射は熱の蓄積が少ないため、原料の大気酸化を受けることなく焼結SiCパターンが生成できることが示された。また、X線光電子分光法によって分散剤であるポリビニルピロリドン及びエチレングリコールは焼結に影響を及ぼさないことがわかった。したがって、この真空フリー直接描画技術は積層造形に適用できる可能性がある。

We investigated a potential of femtosecond laser sintering of silicon carbide (SiC) using the nanoparticles in air. A SiC nanoparticle ink including polyvinylpyrrolidone and ethylene glycol exhibited intense absorption by SiC nanoparticles at the wavelength of 780 nm. The whole of the sintered film patterns from the surface to the bottom underwent significant oxidation at a scanning speed of 1 mm/s, suggesting that the excessive energy irradiation generated silicon oxides. In contrast, the patterns fabricated by laser scanning at a raster pitch of 30 m at which a sintered area was observed at a scanning speed of 5 mm/s, exhibited no significant difference in oxidation of the raw SiC nanoparticles except for the surfaces from 1.72 m. These results indicate that the irradiation of femtosecond laser pulses generated the sintered SiC patterns without additional atmospheric oxidation of the raw materials because of its low heat accumulation. In additions, the dispersant of polyvinylpyrrolidone and ethylene glycol did not affect the sintering by an X-ray photoelectron spectroscopy. This vacuum-free direct printing technique has the potential for additive manufacturing.