新しいバイオベースの3Dプリント材料の作成

出典: Additive Light

テネシー州のオークリッジ国立研究所 (ORNL) の研究者たちは、ポリエステル、リグニン、バイオ由来のナノマテリアルであるナノセルロースなどのユニークな 3D プリント材料の研究に多くの時間を費やしています。現在、ORNL とメイン大学の先進構造複合材料センターとの新たな研究協力は、木材製品を 3D プリント材料として使用する取り組みを強化することを目指しています。チームは林産業界と協力して、建築部品、ボートや船体の型、風力ブレード、シェルターなどの製品の製造に使用できる新しいバイオベースの3Dプリント材料を開発します。

図 1: メイン大学先端構造複合材料センターの学生とスタッフが、メイン大学で開発された新しい生体材料であるナノセルロース強化 PLA を使用して 3D 印刷した型からボートの屋根を持ち上げています。この大規模な動きは今週ワシントンD.C.で発表された。発表には、大学とORNLのリーダーたち、エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー担当次官ダニエル・シモンズ氏、先端構造複合材センター創設事務局長ハビブ・ダガー氏、米国上院議員スーザン・コリンズ氏、ラマー・アレクサンダー氏、アンガス・キング氏が出席し、メイン大学とORNLが米国エネルギー省先端製造局から2千万ドルの連邦資金を受け取ったと述べた。

図 2: [画像提供: UMaine] 「オークリッジ大学は付加製造の世界的リーダーであり、メイン大学はバイオベースの複合材料の専門家です。両者が協力することで、米国における環境に配慮した先進的な製造業が強化され、メイン州の林業が促進されます」とコリンズ上院議員は述べました。

2016年にメイン州の製紙工場が数カ所閉鎖された後、コリンズ上院議員とキング上院議員は、衰退しつつあるメイン州の林産業を救うために連邦政府に支援を要請した。これにより、経済開発評価チーム (EDAT) が設立され、複数の機関が連携してメイン州の農村地域の経済開発戦略を策定することになりました。このチームは、メイン大学とORNL間の継続的な協力関係を築きました。

「メイン州の森林産物を使った3Dプリントは、メイン州で新しい雇用を創出する素晴らしい方法であり、急速に変化する世界経済の中でアメリカが競争力を維持するのに役立つ秘密兵器が国立研究所であることを思い起こさせる素晴らしい方法です。メイン大学とオークリッジ国立研究所のパートナーシップは、科学技術が新しい経済の中でアメリカ人の繁栄にどのように役立つかを示す素晴らしい例です」とアレクサンダー上院議員は述べました。

図 3: マサチューセッツ大学先端構造複合材料センターのエグゼクティブディレクター、ハビブダガー氏がメイン州での 3D プリントのイメージを紹介します。この素材はメイン大学が開発した木材ベースの製品です。
今年 10 月、ORNL の BAAM 3D プリンターが、セルロースナノファイバー (CNF) 技術の世界的リーダーとみなされているメイン大学に設置される予定です。メイン大学の学生は、ORNL の製造デモンストレーション施設 (MDF) を訪問することもでき、研究室のスタッフはメイン大学の複合材料センターでセルロース繊維と複合材料について学ぶことができます。

このプリンターの最初の仕事の一つは、木材ベースのプラスチックからボートの模型を作ることだが、チームはこの技術を多くの大規模な製造用途に応用したいと考えている。

図 4: メイン州とテネシー州での 3D プリントのデモンストレーションを監督する先進構造複合材センターのエグゼクティブディレクター、ハビブダガー氏 (中央) は、メイン大学と ORNL 間の新しい製造イニシアチブでは 3D プリントで木製品を使用する予定であると述べています。アンガス・キング上院議員（左）とスーザン・コリンズ上院議員（右）が、このパートナーシップのために連邦政府から2,000万ドルの資金提供を発表した。
「この素材はナノセルロースで、基本的には樹木のようなナノ構造です。これらの素材は金属に似た特性を持っています。私たちはこれをバイオプラスチックに取り入れることで、ほぼ何にでも使える非常に強いプラスチックを作ることができます」とダガー氏は説明した。

その後、研究チームはPLAにナノセルロースを加えました。

「メイン大学は、バイオベースの原料と地域産業向けの高度な製造アプリケーションに関する最先端の研究を行っています」とORNL所長のトーマス・ザカリア氏は語ります。「私たちは、ORNLの製造実証施設で開発した国内トップクラスの能力をメイン大学に提供しながら、研究基盤を拡大する機会を得られたことを嬉しく思います。」

この取り組みの全体的な目標は、木材製品の新たな用途を見つけてメイン州の林産業を再活性化するとともに、大学と産業のクラスターをMDFと結び付けることで地域の製造業の強化に貢献することです。連邦政府の資金は2つの施設に均等に分割される。

「私たちは、メイン大学での 20 年間のバイオベース複合材研究と ORNL での 3D 印刷を統合します。これは、国内有数の研究室の研究者と並んで働く学生、教員、スタッフ、製造業界にとって、チャンスの原動力となります。木材をナノセルロース構造に分解し、バイオプラスチックと組み合わせ、1 時間あたり数百ポンドの速度で印刷します。ORNL と共同で実施する研究は、リサイクル可能でバイオベースのコスト効率の高い材料を使用した次世代製造技術の開発を促進し、地域経済を強化するでしょう」とダガー氏は述べました。

メイン大学とオークリッジ国立研究所の科学者は、マルチスケールモデリング、CNF 製造、乾燥、機能化、熱可塑性樹脂配合、持続可能性ライフサイクル分析などの分野で研究を実施します。

CNF は実際には鋼鉄に匹敵し、それをプラスチックにうまく組み込むことで、研究者は、1 時間あたり数百ポンドの堆積速度で 3D プリントすることさえ可能な、強力でリサイクル可能な生物由来の材料システム用の再生可能な原料を作成することができます。さらに、木材を 50% 使用した材料は、林産品産業が新しい市場に参入するのに役立つ可能性があります。

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