防衛省の資金提供による、低温条件下で高性能セラミック部品を実現するセラミック前駆体ポリマーの光化学および光熱3Dプリント

2024年10月、アンタークティックベアは、ペンシルベニア州立大学が、低温での高性能セラミックスの3Dプリントを可能にすると期待される画期的なレーザー加工技術を発表したことを知りました。このプロジェクトは、ペンシルベニア州立大学の材料科学および工学の准教授ロバート・ヒッキー氏とミシガン州立大学の教授マイケル・ヒックナー氏が共同で主導し、米国防総省（DoD）の海軍研究局（ONR）を通じて5年間で450万ドルの多分野大学研究イニシアチブ（MURI）助成金によって資金提供された。

△ロバート・ヒッキー

プロジェクトの背景と目的<br /> 「セラミック前駆体ポリマーの光化学および光熱付加製造」と題されたこのプロジェクトは、バルク加熱なしで超高温セラミック材料を製造するための新しいプロセスの開発を目指しています。現在、セラミック材料の成形が直面している主な課題は、高温と大量のエネルギーが必要なことで、コストが増加するだけでなく、3D プリントへの応用も制限されます。ヒッキー教授は次のように語った。「既存の技術では高温での材料の精度を確保するのが難しいため、このプロセスは3Dプリントの発展にとって大きな障害となっていた。」

技術革新<br /> 研究チームは、従来の熱エネルギーの代わりに光エネルギーを使用し、高強度レーザーを使用して化学反応を引き起こし、ポリマー前駆体分子を急速に固化させてセラミック材料にする計画を立てています。この方法は、材料の損失を減らすだけでなく、高温処理による形状の変化を回避し、より高精度の 3D プリントを実現します。ヒッキー教授は次のように付け加えた。「この技術によって、これらのセラミックの変換や製造に必要なエネルギーを削減し、印刷や機械加工の過程で生じる大きな形状変化を防ぐことができると期待しています。」

チーム編成とコラボレーション<br /> このプロジェクトには、ペンシルベニア州立大学とミシガン州立大学に加え、マサチューセッツ工科大学（MIT）と南カリフォルニア大学（USC）のトップクラスの研究者も参加している。 MURI プログラムは、国家安全保障に極めて重要な意味を持つ優先度の高い問題に関する研究を実施する学際的な研究チームを支援するために設計されています。このプロジェクトの共同主任研究者であるベンジャミン・リア教授は、この資金提供が、独自のスキルセットを持ち、それぞれの分野で優れた能力を発揮したメンバーからなる世界クラスのチームを編成する上で非常に重要であったと考えています。

潜在的な影響と見通し<br /> この技術の開発が成功すれば、特に先進的な極超音速機の開発において、防衛産業に重要な影響を与えることが期待されます。 3D プリントを使用して、過酷な環境でも機能する新しいセラミック材料を作成することで、次世代の航空宇宙機の設計に新たな可能性が開かれます。「このプロジェクトは、セラミック材料の付加製造への新たな道を切り開くだけでなく、高エネルギー反応中間体を予測する新たな計算モデルも確立するだろう。これは、新たな前駆体材料や処理スキームの設計に重要だ」と、ペンシルベニア州立大学機械工学部の名誉教授、アドリ・ヴァン・ドゥイン氏は述べた。

さらに、プロジェクトチームには、ペンシルベニア州立大学の材料科学および工学の教授であるジョン・ポール・マリア氏、南カリフォルニア大学の化学工学および材料科学の教授であるプリヤ・ヴァシシュタ氏、コンピューターサイエンスの教授である中野愛一郎氏、マサチューセッツ工科大学の化学の教授であるアレクサンダー・ラドセビッチ氏など、多くの専門家や学者も含まれています。彼らは協力して新しい前駆体材料を合成し、光ベースセラミックスの変化を促進する方法を模索し、計算モデルを通じて反応変化経路を深く理解し、最終的には高性能セラミック材料の効率的かつ低コストの製造を実現します。

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