構造用途向け 3D プリント亜麻繊維バイオ複合材料の展望

構造用途向け 3D プリント亜麻繊維バイオ複合材料の展望
出典: 3Dプリンティングビジネス情報

「構造用途向け連続亜麻繊維強化バイオ複合材料の 3D プリント」という研究で、著者の A Le Duigou、A.バルベ、E. Guillou および M. Castro らは、PLA などのフィラメントを使用した 3D プリントにおいて、亜麻などの天然素材を使用することに関心が高まっていると述べています。

研究者らは、FDM 3Dプリンティングを研究対象として、連続亜麻繊維/ポリ乳酸(CFF/PLA)複合フィラメントを追加することで、最適な機械的特性を持つバイオ複合材料を準備しました。研究者らは、複合材料に使用するためのカスタム押し出し技術を開発し、「断面内で糸が均一に分散していることが実証され、撚り合わせた亜麻糸によって中規模で繊維が豊富な領域が得られた」と述べている。

研究チームが亜麻から新しい複合材料を作ることに興味を持ったのは、その機械的特性が「有望」であるためだ。必要とされる適切な品質をすべて満たすものを見つけるのは、往々にして難しい。現在、多くのバイオ複合材料が人気を集めているが、さまざまな天然繊維を使用する場合、その機械的特性はまだ十分ではないと彼らは説明しています。

「CFF/PLAの引張弾性率と強度の値は、現在唯一公開されている連続天然繊維印刷複合材料の4.5倍以上です」と研究者らは述べています。「引張特性は連続ガラス繊維/ポリアミド(PA)印刷複合材料と同等であり、構造用途でのバイオ複合材料の使用への道を開きます。その最も弱い点は、その横方向の特性が、同様の亜麻/PLA熱圧縮複合材料よりもまだ劣っていることです。」

ガラス、カーボン、アラミドなどの他の繊維複合材も、材料を「含浸」させてより優れた構造を作り出すことで 3D プリントの性能を向上させるために研究されています。研究者たちは、現地で特注した Prusa i3 3D プリンター、ファンの回転を制御する Arduino カード、および Simplify 3D ソフトウェアを使用して、評価および以前の研究結果と比較できるサンプルを多数作成しました。

連続亜麻/PLAフィラメントを製造するための押し出しプロセスパラメータ

糸として、亜麻は織物の用途における複合材料として当然の選択肢であり、織りの強度を高めます。しかし、著者らは、繊維束が「歪んだ構造」で観察され、多孔性と全体的な微細構造に影響を与えていると指摘した。

「さらに、リネン糸はフィラメントの中心からずれているが、これは共押し出しヘッドによるものと思われる。実際、共押し出しプロセス中、ポリマーはリネン糸に対して垂直に流れ、フィラメントの端に局在することになる」と著者らは述べている。

「実験結果から、フィラメント内の繊維体積率が 35% を超えると、高品質の印刷サンプルを得るのが困難になることが示されました。そのため、本研究では、開発された cFF/PLA フィラメントの体積率は 30.4 ± 0.8% (wf ≈ 34.5%) と低く、市販の高性能カーボン/ポリアミドフィラメントに近い値となっています。フィラメントの印刷は繊維含有量に影響を与えないため、cFF/PLA バイオ複合材料の繊維含有量はフィラメントの繊維含有量とほぼ同じでした。」

以下と比較して縦方向のパフォーマンスが向上します。
純PLA(剛性×7、強度×4.5)
不連続天然繊維強化 3D プリントバイオ複合材料 (剛性 ×11、強度 ×10)
連続ジュート/PLA印刷バイオ複合材料の利用可能なデータ(剛性×4.5、強度×4.5)

研究者たちは、これらの特性は亜麻の本来の高い機械的特性、繊維対糸のアスペクト比の高さ、そして繊維含有量と全体的な均一性の高さによって説明できると考えています。

「非線形引張挙動は天然繊維一方向複合材に典型的であり、その性能は熱圧縮、VARTM、AFPで製造された長い亜麻繊維複合材や、市販の3Dプリンターで製造された連続ガラス/PA複合材に匹敵します。このように高い測定性能は、3Dプリントされたバイオ複合材を構造用途に利用できる可能性を開きます」と研究者らは結論付けました。

「cFF/PLA 印刷複合材の最も弱い点は、同様の亜麻/PLA 熱圧縮複合材よりも横方向の特性が低いことです。引張試験で観察された損傷メカニズムは、フィラメントの巻き戻しを伴う連続合成繊維/ポリマー印刷複合材で観察されたものと同様です。」

(a) 連続亜麻繊維/PLA (cFF/PLA) フィラメントの微細構造。(b) 未テストの cFF/PLA サンプルの断面の SEM 顕微鏡写真。(c) 横方向 (90°) に印刷された cFF/PLA。(d) 縦方向 (0°) に印刷された cFF/PLA。パネル d の詳細。(e) リングの重なりと (f) 通常のリングを示しています。

3D プリンティングに関連する材料科学は、ここ数年で大きな進歩を遂げました。デスクトップユーザーの人気が高まり続ける一方で、研究者や産業メーカーは PLA などのフィラメントを使い続け、グラフェン、連続繊維、さらには木材など、さまざまな他の材料を使用した複合材を作成しています。

(a) 縦方向、(b) cFF/PLA 印刷部品の横方向の破壊のマクロ画像、(c) cFF/PLA 印刷部品の縦方向および横方向の破壊、(d) cFF/PLA 印刷部品の横方向の破壊の SEM 顕微鏡写真。白い矢印は繊維束の剥離とマトリックスの破損を示しています。

3D プリント、印刷、インド、亜麻、亜麻繊維

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