米国の新たな3Dプリント技術は高性能複合材料を生産できる

米国の新たな3Dプリント技術は高性能複合材料を生産できる
最近、米国ハーバード大学工学応用科学大学院の研究チームが「回転式3Dプリント」と呼ばれる新しい3Dプリント技術を実証しました。ノズルの速度と回転は、ポリマーマトリックスに埋め込まれた繊維の配置をプログラムするように正確に設計されており、バイオ複合材料の設計における大きな進歩です。

自然は、軽さと密度と必要な機械的特性の完璧な組み合わせである、木材、骨、歯、貝殻などの絶妙な複合材料を「生み出します」。しかし、自然界に見られる独特の機械的特性と複雑な微細構造を再現することは困難です。ハーバード大学のチームが開発した「回転式3Dプリント」技術は、ポリマーマトリックスに埋め込まれた短繊維の配置を極めて細かく制御できます。研究者たちは、この付加製造技術を使用して、特定の場所におけるエポキシ複合材内の繊維の配置をプログラムし、強度、剛性、損傷許容度が最適化された構造材料を作成しました。

技術的特徴<br /> このアプローチの鍵となるのは、ポリマー マトリックス内に埋め込まれた繊維の配置をプログラムするために、3D プリンターのノズルの速度と回転を正確に調整することです。この技術は、回転プリントヘッド システムにステッピング モーターを装備し、インクが押し出されるときに回転ノズルの角速度を誘導することによって実現されます。インク設計のモジュール性により、さまざまなフィラーとマトリックスのさまざまな組み合わせを使用して、印刷されたオブジェクトの電気的、光学的、または熱的特性をカスタマイズすることができ、幅広い用途に対応できます。プロジェクトリーダーによれば、人工複合材における繊維の配置を局所的に制御することは大きな課題です。チームは現在、自然界で構築される方法に近い、層状の方法で材料を構築できるようになった。

この技術により、印刷された部品のあらゆる場所で最適またはほぼ最適な繊維配置が可能になり、より少ない材料でより高い強度と剛性が得られます。これは、磁場や電場を通じて繊維を配向するのではなく、インク自体の流れを制御して、望ましい繊維の配列を与えることによって行われます。

拡張アプリケーション「回転式 3D 印刷」のノズル コンセプトは、溶融フィラメント製造、直接インク書き込み、大規模な熱可塑性付加製造、および炭素繊維やガラス繊維から金属やセラミックのウィスカーやプレートレットまでのあらゆる充填材料まで、あらゆる材料押し出し印刷方法に適用できます。

この技術により、特定のパフォーマンス目標を達成するために空間的にプログラムできる人工材料の 3D プリントが可能になります。たとえば、ファイバーの配置を局所的に最適化することで、負荷がかかっているときに最も大きな応力を受けると予想される場所や、潜在的な破損箇所が強化される場所での損傷許容度を高めることができます。

意義:回転式 3D 印刷技術は、複雑な微細構造を製造する新しい方法を提供し、さまざまな領域の微細構造を制御可能に変更できます。構造をより細かく制御できるということは、結果として得られる特性をより細かく制御できることを意味し、特性をさらに最適化するための設計空間が大幅に拡大します。

バイオ複合材料は、単位重量あたりの剛性、強度、靭性が高いなど、優れた機械的特性を備えていることがよくあります。バイオ複合材料からヒントを得た人工材料を設計する際の大きな課題の 1 つは、小規模かつ局所的なレベルで繊維の配列を制御することです。ハーバード大学チームによるこの成果は、このアプローチの実現可能性を証明するものであり、バイオ複合材料の設計における大きな前進です。

出典: アメリカナノテクノロジーネットワーク & 中国国防科学技術情報センター 詳しい情報:
3Dプリント材料の新発見:スイスが樹皮からタンニンを抽出して複合材料を製造する新技術を開発

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