カオリナイト粘土を使った3Dプリント

出典: Additive Light

最近発表された「少量の石灰、フライアッシュ、タルクを加えたカオリナイト粘土の 3D プリント」では、研究者らが直接インク書き込み技術を使用して、石灰、フライアッシュなどさまざまな安価な粉末を使用した革新的なセラミックを作成する方法を研究しました。タルクは世界中で陶磁器によく使われています。

この研究で使用された 3D プリンターのカオリナイトは粘土材料であり、多くの国で見つかる天然鉱物です。また、以下の分野では添加剤としてよく使用されます。

紙コーティング剤
陶芸
プラスチック製品
接着剤
医薬品

カオリナイト土壌の原料は母岩から得られ、主に花崗岩、流紋岩、閃長岩、粗面岩、片麻岩、または島弧岩です。研究者らはコロンビア産のカオリナイト粘土を使用し、それがこの地域で入手可能な粘土の中で最も「豊富」であると主張している。

「今日の世界では、セラミック製造における新技術が求められており、この技術を他の用途やプロセスに利用することで、業界がエネルギー消費を最適化し、廃棄物を最小限に抑えることができる」と研究者らは述べた。「これは、大量の廃棄物を収容するためにリン酸塩やジオポリマーなどの代替セラミック材料を使用したり、同様の目的を持つ従来の建築材料を使用したり、これらの未利用の材料を使用して新しい製造プロセスを開発したりするケースである。」
研究者らは、石灰（CaO）、フライアッシュ（タイプC）、タルク（H2Mg3（SiO3）4）の3つの添加剤を使用し、石灰とタルクが水和形態であるCa（OH）2とMg3 Si4O10（OH）2に変化することを発見しました。 DIW 印刷におけるパフォーマンスを調査する一方で、最も単純な形で使用されたすべての材料の水分含有量、焼結時間、含有量も評価しました。
チームは機械的特性をテストした後、研究プロジェクト用のサンプルを印刷しました。

この研究でテストされた W/C 0.70 の異なる組成のサンプルの概要元の添加剤の SEM 画像: a) 粘土、b) 石灰、c) フライアッシュ、d) タルク石灰とフライアッシュは「歪度」が異なりますが、タルクサンプルの結果では曲線がほぼ対称であることが示されています。その他の対応する要素データはすべて下の表に示されています。

粉末添加剤とカオリナイト粘土の組成の SEM-EDS 元素特性評価温度を評価すると、研究者は、温度が上昇するにつれて、印刷されたサンプルの直径と高さが減少することを発見しました。直径の収縮率は高さの収縮率より 10% 低く、これは製造技術の異方性によるものです。密度と圧縮強度は以下の通りです。表面処理の観点から、フライアッシュはカオリナイト粘土に最適な添加剤であると判断されました。この添加剤により3Dプリントも容易になり、より多くのユーザーが利用できるようになるほか、研究チームが指摘するように、社会に大きな影響を与える可能性がある。

アルキメデスの天秤による密度試験

圧縮強度の平均値：a) 生粘土とb) 添加剤入り粘土「サンプルは、水と粘土の比率（W/C）が0.68～0.72の範囲で作られました。添加剤は、粘土含有量が3.0、5.0、7.0重量％の状態でテストされ、結果は、添加剤が3重量％のサンプルが最高の性能を示したことを示しました。テスト結果では、フライアッシュを添加剤として加えた0.70 W/C比のサンプルが、処理特性、機械的特性、表面仕上げの点で最高の性能を示したことも示されました。

フライアッシュが最良の選択肢であり、研究者たちはそれを形状、分布、化学と関連付けました。彼らは、粘土の可塑性だけでは取り扱いや乾燥に耐えられるほどの強度を持つ構造物を作るのに十分ではないが、粘土を組み込むことで複雑なサンプルを印刷して作ることができることを発見した。

「この研究で紹介されたプロセスと材料は、従来の産業が従来の方法を補完するために付加製造を実装するという観点から真剣に考える機会を提供し、企業にとってもイノベーションの道筋となり得る。さらに、プロセスと材料はどちらも個人に適している」と研究者らは結論付けた。