バインダージェット3Dプリント実験で貝殻と石膏粉末を使用する

海へ出かけると、必ず浜辺で貝殻を拾って眺め、家に持ち帰って砂を入れた花瓶に飾ろうかと考えますが、実際に実行することはめったにありません。その素晴らしさはさておき、この貝殻を構成する粉末は、実は天然のバイオセラミック素材で、以前は舗装材などの用途に使われる軽量で強度の低いコンクリートの製造に原料として使われていました。 3DPrint.com のライターである Carmen Brio は、以前にも 3D プリントで貝殻を使用したことがあり、自分で作った FDM フィラメントの充填材として使用しました。その後、学生たちは筋肉のバネを使ってフィラメントを作るようになりました。現在、オークランド工科大学（AUT）、サイオン、ドイツのベックマン工科大学からなる研究チームは、貝殻粉末を3Dプリントに使用できるかどうかに興味を持ち、「バインダージェット3Dプリント用貝殻粉末ベースセラミック複合材料の結合メカニズム」と題する論文を発表し、研究の詳細を説明した。

要約には次のように書かれています。「貝殻粉末ベースのセラミック複合材料のバインダージェット 3D 印刷応答について、材料の固化メカニズムと機械的特性の観点から評価しました。初期の実験印刷トライアルは手作業で行われ、複合材料粉末の組成を貝殻粉末 5% ～ 50%、残りは石膏に変化させました。全体として、貝殻と石膏の組み合わせは、バインダージェッティングプロセス条件下で必要なグリーン強度を達成するという点で良好な結果を示しました。走査型電子顕微鏡検査と 3 点曲げの結果では、貝殻成分のレベルが低い場合でも特性に大きな損失は見られませんでしたが、強度は 25% 以上低下しました。最適な圧縮強度の観点から見た貝殻粉末の最適含有量は、重量で 15～20% でした。ただし、純粋な貝殻粉末はバインダー液と相互作用するとすぐに粘着性が高くなりすぎて、促進できる結合メカニズムの証拠は見られませんでした。

バインダージェッティングはセラミック用の一般的な AM 技術であるため、研究チームはさまざまなシェル粉末組成がそれにどのように反応するかを評価し、土木建設用コンクリートとバインダージェット 3D プリントを使用して複雑な形状を製造する場合の「硬化メカニズムの劇的な違い」に注目しました。。複雑な形状の多孔質部品の製造技術を向上させることができれば、軽量構造やエネルギー管理への応用が広がる可能性があります。

「従来のセメントのセットアップでは、実行に数日かかるのに対し、3D プリントでは、短時間で一定のグリーン強度を達成し、それに続いて粉末スキャンアームを作動させる必要があるため、瞬時のセットアップが必要です。スキャンによって次の粉末層が広がる間、以前に固められた層をそのまま維持するために必要な急速なグリーン強度を達成するには、粒子固めのメカニズムを加速する必要があります」と研究者らは書いています。「この論文は、これらの条件下でシェルパウダーがどのように機能するかを決定することに焦点を当てています。」

異なる組成のサンプルを印刷チームは純粋な貝殻粉末をベースにした初期試験を完了しましたが、これは湿気に対して不活性であるため、石膏ベースの 3D 印刷材料の基本的なトリガーメカニズムである湿気に対して確実に機能しませんでした。そこで、異なる組成の石膏殻セラミック粉末材料を作成し、機械的特性と微細構造特性に基づいて評価しました。

研究者らは次のように説明しています。「今回の研究の一環として行われたすべての 3D 印刷試験では、バインダージェット 3D 印刷法を採用しました。このような研究を行うためのプラットフォームとして、市販の Z-Corp システムを使用するのが一般的です。現在、これらのシステムは 3D Systems プロジェクトバージョンに置き換えられていますが、動作原理は同じで、特にバインダーソリューションはほぼ同じままです。バインダーソリューションの変更は複雑であるため、市販されている同じソリューションを使用しました。これは、以前の Z-Corp 材料オプションの Zb60 に相当します。この研究の一環として作成されたすべてのサンプルは、同じ Zb60 バインダーフルイドに基づいています。実際のプリンターを使用するには大量の材料を製造する必要があるため、すべての試験は、シミュレートされたバインダージェット印刷法で実施されました。この方法では、バインダーを注射器で噴霧しながら、プラスチック容器内で粉末を層ごとに手動で分散させました。すべてのサンプルは、変位印刷装置を製造し、バインダーを手動で分散させることに基づいて準備されたことに注意してください。これは調整が難しく、実験は主に、バインダージェット法による処理に対する新しい粉末複合材料の初期反応を評価することを目的としていました。」

貝殻粉末-石膏複合材料の組成を試験した。 3D プリントパウダーの主な特性は、優れた拡散特性、反応速度、濡れ角です。研究チームはまず、貝殻の粉末を評価し、この材料がすぐに材料を吸収して塊状になるため、バインダージェッティングに必要な薄い層に広げることができないことに気付きました。彼らは、計算された量の液体接着剤で粉末サンプルを処理することで反応速度を観察し、その組み合わせには「非反応性メカニズム」があると判断しました。粉末表面上の接着剤の流れは制御できないため、表面上の接着剤の濡れ角度も粉末との相互作用に依存します。

「これらすべての結果に基づくと、貝殻粉末自体はバインダージェッティング法による3Dプリントの候補材料にはなり得ないことは明らかだ」と研究者らは結論付けた。

「3D プリントの候補材料に求められる 3 つの基本的な要素は、貝殻粉末では自然には得られず、他の成分を追加して解決する必要があることが明らかになりました。いくつかの代替品を試した結果、石膏粉末は、3 つのテストの要件をすべて満たす貝殻粉末セラミック複合材料を形成するのに適した組み合わせであることがわかりました。」

研究者らはまた、さまざまな重量比の石膏と組み合わせることで貝殻粉末の特性を明らかにしようとした。

「バインダー接着剤は注射器に注入され、手作業で層に塗布された。長方形のサンプルは3点曲げ試験に使用された」と研究者らは記している。「各層ごとに、必要な量の粉末が基板上に塗布され、その後、木製のヘラを使用して層の厚さを約1mmに保ちながら均等に広げられた。」次に、計算された量の接着液を、シリンジをジグザグのラスターパスパターンで動かしながら層に追加します。このプロセスを繰り返して 10 層を構築し、すべての層が印刷されたら、サンプルを少なくとも 6 時間硬化させてから取り出しました。

3DプリントされたサンプルのSEM顕微鏡写真が撮影され、石膏結晶の成長と形成、および貝殻粉末の分散の「観察結果を確認」するためにEDS分析が完了し、研究者らは「石膏結晶ネットワークにおける貝殻粉末の分散に関する予測を確認」するためにスポット分析も実行しました。「最後に、さまざまな組成で作られた 3D プリントされた長方形のブロックを 3 点曲げテストにかけて機械的特性を調べたところ、3D プリントされた純粋な石膏サンプルが最高の最大圧縮抵抗を持つことがわかりました。興味深いことに、貝殻の粉末を追加すると、この抵抗が悪化しましたが、これは明らかに目的ではありません。

「全体的に、貝殻粉末と石膏の組み合わせは、バインダージェッティングプロセスを使用した 3D プリントに適していることが証明されました。ただし、貝殻粉末には、結合強度を高める固有の反応性やメカニズムはありません」と研究者らは結論付けました。「石膏相の結晶ネットワークに残り、重量の 15 ～ 20% までは機械的特性が劣化しません。それを超えると、圧縮強度が低くなりすぎて、印刷されたサンプルが脆くなります。重量の 20% まで貝殻粉末を含有できること自体が興味深い発見です。粉末複合材は材料システムに生物学的な感触をもたらし、箱を持続可能なものにします。」

出典: 広西付加製造協会

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