研究者らは、3Dプリントされた複合材料の複雑な物理的特性をシミュレートするシステムを開発し、材料の研究開発に新たなアイデアをもたらす。

2024年10月8日、アンタークティックベアは、グラスゴー大学のエンジニアチームが、3Dプリントされた複合材料の複雑な物理的特性をシミュレートできる初のシステムを開発したことを知りました。このシステムは、電流を測定するだけで、ひずみ、負荷、損傷を検出できます。この研究により、高度な3Dプリント材料の開発における推測が不要になり、新しい「自己認識型」航空機、ロボット、橋などの開発を加速できる可能性がある。

この研究は、AM によって誘発される欠陥が新しい設計の構造的完全性にどのような影響を与えるかを研究者が予測できるようにする代替モデリングアプローチを示す論文を最近発表した同チームのこれまでの研究成果に基づいています。チームの研究結果は、「自律センシングアーキテクチャ材料」と題する論文として、Advanced Functional Materials誌に掲載されました。論文著者のマティア・ウツェリ氏は、かつてグラスゴーの持続可能な多機能材料および付加製造（SM2AM）研究所の博士課程の学生であり、現在はイタリアのマルケ工科大学の研究者であり、トルコのイスタンブール工科大学の協力者とともにこの研究に参加した。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411975
材料科学者が、新しい構造を微調整して強度、剛性、自己感知特性の特定の組み合わせを生み出す方法を予測できるようにすることで、この技術の革新的な新しい用途の開発を促進するのに役立つ可能性があります。
航空宇宙および自動車分野では、チームの研究成果を利用して生産された新素材により、航空機、宇宙船、車両部品の構造的完全性をリアルタイムで監視できるため、安全性とメンテナンスの効率が向上します。
土木工学においては、これらの材料によって橋梁、トンネル、高層ビルの構造を継続的に評価し、崩壊につながる前に問題点を明らかにすることで、スマートなインフラの開発が可能になる可能性がある。これらは、自動化された製造業のロボットに同様の利点をもたらす可能性があり、さらには戦場の兵士が防弾チョッキのプレートの完全性を監視するのに役立つ可能性もあります。
3D プリント技術が進歩するにつれて、研究者は独自の特性を持つますます複雑な材料を作成できるようになりました。たとえば、構造内にハニカム状のチャンバーのグリッドを導入すると、材料は重量と構造強度の間の微妙なバランスを実現できます。
材料全体に微細なカーボンナノチューブを織り込むことで電流を伝達できるようになり、圧電抵抗と呼ばれる現象を通じて構造の完全性を監視できるようになります。電流の読み取り値が変化すると、材料が押しつぶされたり伸びたりしたことが示され、障害を解決するための措置を講じることができます。
グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のシャンムガム・クマール教授は次のように語っています。「3D プリントされた細胞材料に圧電抵抗特性を持たせることで、追加のハードウェアを必要とせずに、材料自体のパフォーマンスを監視できるようになります。つまり、安価で比較的簡単に作れる材料に、損傷を検知し、どの程度の損傷を受けたかを測定するという並外れた能力を付与できるのです。自律センシングアーキテクチャ材料と呼んでいるこの種の格子材料には、さまざまな分野にわたる高度なアプリケーションを生み出す大きな潜在能力が秘められています。研究者はこれらの特性について以前から知っていましたが、新しい自己センシング材料を作成するための新しい試みがどれほど効果的であるかを事前に知る方法がありませんでした。その代わりに、これらの材料を開発する最良の方法を決定するために試行錯誤に頼ることが多く、これには時間と費用がかかります。」
△自己感知材料のインテリジェントな動作の可視化: この図は、スマート材料が自身の形状/状態の変化を感知する方法を示しています。材料を圧縮すると（左：圧縮なし、右：20% 圧縮）、材料を流れる電気の流れ方が変わります。この変化を「感知」して検出する能力は、自動車や航空宇宙などのアプリケーションで使用して、車両や航空機の状態をリアルタイムで監視し、安全性とパフォーマンスを向上させることができます。出典: グラスゴー大学。
論文の中で研究者らは、一連の厳密な実験室実験とモデリングを通じて、いかにしてシステムを開発したかを説明しています。研究者たちは、カーボンナノチューブを混ぜたポリエーテルイミド（PEI）と呼ばれるプラスチックを使用して、4つの異なる軽量格子構造設計シリーズを作成しました。その後、設計の剛性、強度、エネルギー吸収、自己感知能力がテストされました。
△積層造形技術により製造された、六角形 a)、I 字型 b)、凹型 c)、および S 字型 d) 構成の 3 wt.% CNT 強化ポリエーテルイミド格子複合材料の相対密度の数式。中央の列には、さまざまなセルトポロジの構造パラメータを示す幾何学モデルが表示されます。
彼らは、高度なコンピューターモデリングを使用して、材料がさまざまな負荷にどのように反応するかを予測するように設計されたシステムを開発しました。次に、赤外線熱画像法を使用して材料を流れる電流をリアルタイムで視覚化し、材料内の熱と電流の流れの類似性を利用して、現実的な条件下で材料の詳細な分析を実行することで、マルチスケール有限要素モデルの予測を検証しました。
彼らは、このモデルによって、材料がさまざまな応力と歪みの組み合わせにどのように反応するか、また電気抵抗がどのように影響を受けるかを正確に予測できることを発見しました。この結果は、最初の実際のプロトタイプが印刷される前に、提案された新しい材料の性能に関する洞察を提供することで、積層造形における将来の開発の基礎を築くのに役立つ可能性があります。
クマール教授は次のように語っています。「この研究を通じて、自己検知型 3D プリント材料の性能をモデル化できる包括的なシステムを開発しました。厳密な実験と理論に基づくこのシステムは、複数のスケールで 3D プリント材料をモデル化し、複数の物理タイプを組み合わせた初めてのシステムです。この論文ではカーボンナノチューブを埋め込んだ PEI 材料に焦点を当てましたが、私たちの研究結果のベースとなっているマルチスケール有限要素モデルは、積層造形で製造できる他の材料にも簡単に適用できます。このアプローチが他の研究者を刺激し、材料の新しい自律検知アーキテクチャを開発し、幅広い業界で材料設計と開発におけるこのアプローチの可能性を実現することを願っています。」

研究者らは、3Dプリントされた複合材料の複雑な物理的特性をシミュレートするシステムを開発し、材料の研究開発に新たなアイデアをもたらす。

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