寧波材料研究所はポリマー複合材料の3Dプリントで進歩を遂げた

出典：中国科学院ウェブサイト

科学技術の継続的な発展と進歩により、3D プリント技術は新しいデジタルシミュレーション製造技術として登場し、急速に発展してきました。その中で、熱溶解積層技術は、設備が簡単で、プロセスがクリーンで、運用コストが低く、過剰な処理残留物がないなどの利点があり、ラピッドプロトタイピングや教育などの分野で広く使用されています。しかし、既存の溶融堆積材料はABSやPLAなどの汎用プラスチックが主であり、工業製品製造には高強度エンジニアリングプラスチックなどの材料に適した3Dプリント造形技術の開発が必要です。

図 1 ブレンド熱溶解積層法のフローチャート中国科学院寧波市材料工学研究所付加製造重点研究室の徐高傑氏のチームは、高性能エンジニアリングプラスチックの 3D 印刷技術に関する一連の研究を実施しました。高い靭性と耐疲労性を備えた半結晶性ナイロン12と高強度ポリエーテルイミドをマトリックスとして選択し、溶融フィラメントの焼結特性に対する溶融レオロジー特性の影響を研究し、高性能エンジニアリングプラスチックの3Dプリントプロセスパラメータと産業的実現可能性を研究しました。研究では、半結晶性ポリマーは優れたレオロジー特性と急速焼結特性を備えており、適切な印刷条件下では射出成形部品に近い機械的特性が得られることがわかりました。溶融堆積技術における高温・高強度エンジニアリングプラスチックの応用拡大（Rapid Prototyping Journal、2017、23(6)、973–982。High Performance Polymers、2019、31(1):97-106）。

図2 射出成形部品（a）と印刷部品（b）におけるTPUの分布形態

熱溶解積層法の層ごとの成形プロセスで生成される隙間により、3Dプリント製品の機械的強度が必然的に低下するため、熱溶解積層技術の応用と推進には大きな制限があります。研究者らはプロセス研究に基づき、ナイロン12/酸化グラフェンおよびナイロン12/炭素繊維複合材料を開発しました。研究では、2つのフィラーを溶融堆積成形プロセス中に配向および分散させることができ、製品の機械的強度（GNP 7％およびCF 251.1％）を効果的に向上させるだけでなく、製品の熱伝導率を柔軟に調整できる（51.4％増加）こともわかりました（Journal of Applied Polymer Science、2017、134（39）、45332。; Materials＆Design、2018、139：283-292）。

図3 TPU含有量と分布構造が部品の衝撃強度に与える影響

最近、研究者らは、ポリ乳酸（PLA）をマトリックスとして、熱可塑性ポリウレタン（TPU）をフィラーとして使用し、溶融堆積技術の全処理プロセスを通じて、エラストマーTPUのin-situ繊維化を実現しました。繊維状TPUの平均長さは、67.24μmから103.72μmまで正確に制御できます。同時に、TPU の繊維化により、PLA マトリックスとの界面結合が効果的に改善されます。研究により、3Dプリントで形成された格子状のTPUは、印刷ギャップが印刷部品の機械的強度に及ぼす弱化効果を効果的に補い、製品の靭性を射出成形のレベルにまで達させるか、あるいはそれを超えることができることが判明しました。この溶融堆積インサイチュファイバー技術は、高靭性ポリ乳酸複合構造部品を製造するためのシンプルで効果的な方法を提供します (Macromolecular Materials and Engineering、2019、1900107)。

上記の研究は、中国国家自然科学基金（11574331、11674335）および寧波市科学技術局（2016B10005、2018A610009）の支援を受けて行われました。

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