高強度で軽量な構造物を製造する新しい方法:液晶ポリマーの階層的 3D プリント

高強度で軽量な構造物を製造する新しい方法:液晶ポリマーの階層的 3D プリント
骨、絹、木材などの自然界の生体材料は、自己組織化して階層的な複合構造を持つ軽量構造を形成します。これは優れた機械的特性を持つだけでなく、リサイクルして再生することもできます。チューリッヒにあるスイス連邦工科大学の研究者らは、自然界の生物材料の成長メカニズムを借用し、液晶ポリマーの段階的3Dプリント法を用いて、リサイクル可能な新しい軽量構造を作成した。

この技術は、熱互変性液晶芳香族ポリエステルの剛性分子断片が自己組織化して溶融状態で液晶ネマチック領域を形成できる現象を利用しています。研究者は、FDM技術を使用して、材料の押し出しプロセス中に溶融液晶材料が印刷経路に沿って自己組織化できるようにすることで、材料構造の異方性成長を実現します。次に、材料の異方性と3Dプリントによる複合成形能力を組み合わせて、構造の機械的特性をさらに最適化し、従来の軽量材料の剛性、強度、靭性に匹敵する高強度軽量構造を実現します。

図1 FDMは、硬いモノマーで構成される芳香族ランダムコリエスターで構成される階層型液晶ポリマー鎖を印刷するための方法です押出操作中にポリマーを再編成する。コアシェル構造のフィラメント。 (g)ノズル温度と室温の温度差とフィラメントのヤング率の関係。(h) 固体アニーリングはポリマーの分子量を増加させることで性能を向上させることができます。研究者は印刷されたサンプルの機械的特性をテストし、異方性フィラメントを形成するサーモトロピック液晶ポリマーの自己組織化により、靭性などの材料の機械的特性が既存の軽量材料と同等のレベルまで向上することを発見しました。

図3 3Dプリント液晶ポリマー積層板および部品の機械的特性と複雑な構造 (a) 張力を受ける液晶ポリマー開気孔積層板の機械的特性、(b) 破壊前の開気孔のひずみスペクトル、(c) 液晶ポリマープリント配線および部品の比剛性、比強度、減衰性能、(de) 複雑な構造を持つ3Dプリント液晶ポリマーモデル この技術は、階層型3Dプリント技術を使用して、従来の繊維強化ポリマー構造の脆性亀裂と成形の難しさという問題をうまく解決しました。リサイクル可能な材料を使用して再製造することができ、複合材料のリサイクルと再利用という重要な技術を突破し、優れた機械的特性を持つ軽量部品の製造をうまく実現しました。これは、将来の新しい人工軽量材料の製造にとって大きな意義があります。


参考文献
Gantenbein S, Masania K, Woigk W, et al. 階層的液晶ポリマー構造の3次元印刷[J]. Nature, 2018, 561(7722): 226.

著者: 楊強、李迪塵 出典: 機械製造システム工学国家重点実験室

FDM、生物学

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