ウェストレイク大学の周南佳氏のチーム：モジュール設計の押出機は繊維の周期構造を制御するために使用できる

出典: MF PuSL High Precision

複雑な内部構造を持つ多材料 1 次元 (1D) 繊維は、科学と工学の分野で常に研究のホットスポットとなっています。このファイバーは柔軟性、拡張性、汎用性に優れているため、アクチュエーター、発光デバイス、エネルギー貯蔵デバイス、センサー、薬物送達デバイスなどの用途で広く使用されています。中でも周期構造繊維は、周期を設計・制御することで繊維の性能や機能を大幅に向上させることができます。 1 次元の繊維を 2 次元のパターンや 3 次元の構造に組み立てることで、その応用範囲が大幅に広がります。しかし、従来の繊維加工方法（溶融紡糸、溶液紡糸、電界紡糸など）では、紡糸後に織りや編みなどの工程が必要となり、生産効率が制限され、材料の選択や複雑な構造の製造が困難になります。

従来の製造方法と比較して、積層造形（AM）には複雑な構造設計と迅速なプロトタイピングの利点があります。 3D プリント技術を使用すると、マイクロ構造とマクロ構造の製造が簡単に実現できます。その中でも、ダイレクトインクライティング（DIW）は、コスト効率と材料の互換性に大きな利点があり、広く使用されているマルチマテリアル押し出し加工方法です。押し出しプロセスにおける複数の材料のプログラム可能性を拡張するために、マイクロ流体押し出しヘッド設計を使用して多機能繊維構造が作成されました。しかし、高解像度のマイクロ流体の設計と製造は複雑なため、押し出しヘッドの構造オプションは依然として限られています。

これを基に、ウェストレイク大学工学部の周南佳氏のチームは、マルチマテリアル直接描画プロセスを使用して制御可能な周期構造を持つ繊維を押し出し、空間的にプログラム可能な周期構造を持つ 3D オブジェクトを製造する押し出しヘッドを設計するためのモジュール戦略を提案しました。異なる機能を持つモジュールを、直列接続、並列接続、直並列接続などのさまざまな方法で接続して組み立てることで、層状構造やチェッカーボード構造のマルチマテリアルファイバーを作成できます。ファイバー内部の周期構造は、プロセスパラメータ、モジュールの種類、数量、サイズを調整することで制御できます。モジュラープラットフォーム戦略により、押し出しヘッド設計の難しさが大幅に簡素化され、周期構造繊維の処理効率が向上します。押出ヘッドは、BMF社の高精度nanoArch® P140およびS140高精度DLP 3Dプリンター装置（精度：10μm）を使用した一体成形により製造されています。

研究チームの戦略では、レオロジー特性は類似しているが機械的特性が異なる 2 つの混ざらない材料を共押し出しに使用しました。周期構造により、繊維や格子構造の機械的特性が大幅に向上します。まず、硬質/軟質シリコーンゴム複合エラストマーでは、層状構造繊維が最も高い破壊靭性（14.009 KJ/m2）を示し、これは均質軟質シリコーンゴムおよび硬質シリコーンゴムのそれぞれ1.8倍および11.8倍であった。第二に、生物の真珠貝構造にヒントを得て、エポキシ樹脂/シリコーンゴムの層状複合材料を加工したところ、繊維の強化効果は明らかな異方性挙動を示した。これを基に、研究チームは、印刷経路を制御することで 3D パイル構造内の周期構造を空間的にプログラムし、圧縮試験中に印刷された構造が壊滅的な構造的損傷を受けないようにしました。層状構造の繊維の靭性と千鳥状パイル構造のエネルギー吸収能力は、直接混合した複合材料と比較して大幅に向上し、それぞれ 4.3 倍 (10.45 MPa)、6.5 倍 (12.43 J/g) 増加しました。

研究結果は、「モジュール設計の押し出しヘッドによるプログラム可能な周期的フィラメント構造のマルチマテリアル押し出し」というタイトルで学術誌Additive Manufacturingに掲載されました。論文の第一著者はウェストレイク大学の博士課程学生であるRen Jingbo氏であり、論文の責任著者はウェストレイク大学の著名な研究者であるZhou Nanjia氏である。この研究は、ウェストレイク大学の未来産業研究センター、先進マイクロナノ加工・試験プラットフォーム、材料科学公共実験プラットフォームの強力な支援を受けて行われました。

図 1. モジュラー押出機と印刷された構造。 (a): モジュラー押し出し印刷装置と印刷された 3D 構造の概略図。拡大図は、内部流路構造を備えた基本単位乗算器 (BME) の設計を示しています。 (b): 分割、積み重ね、拡散による強制的な流体増殖のプロセス。 (c): アセンブリ戦略が繊維構造に与える影響。モジュール式押出機の設計と、直列および直列並列押出機ヘッドのさまざまな部分に対応する理論的な繊維構造。これには、入口モジュール (IM)、増倍モジュール (MM)、出口モジュール (OM)、接続モジュール (CM) などの機能モジュール、繊維内部の周期パターンの概略図、直列および直列並列アセンブリ戦略用に印刷された繊維の断面写真が含まれます。スケールバー、2 mm (a)、100 μm (c)。図 2. (a): 直列（左）および直列並列押し出しヘッド（右）の写真。 (b): カスタマイズされた 4 軸印刷プラットフォーム (左) と 3D 印刷装置に組み立てられた押し出しヘッド (右)。スケールバー、5 mm (a)。
図3. 繊維内部の周期構造の制御。 (ab): 粘度マッチングが層の均一性に与える影響。 (c): 流量比が層の厚さに与える影響。 (de): 多層構造繊維の断面写真と実際の層厚と理論上の層厚の比較。スケールバー、100 μm (c、d)。
図4. ハード/ソフトシリコーンゴム積層複合エラストマーの機械的特性。 (a): ハード/ソフトシリコーンゴムインクのレオロジー挙動。 (b): エラストマーの靭性に対する成分の影響。 (c): 層状構造の強化メカニズムと引張試験中の複合エラストマー繊維の対応する破壊プロセス。 (d): 層数によるエラストマーの靭性への影響。 (e): 靭性と臨界ひずみの比較。スケールバー、100 μm (a)、1 mm (c)。
図5. エポキシ樹脂/シリコーンゴム積層複合繊維の機械的特性(a): エポキシ樹脂/シリコーンゴムインクのレオロジー挙動。 (b): 3点曲げ試験の模式図とそれに伴うフィラメントの応力分布。 (c): 複合繊維の試験方向。 (d): 複合材料の弾性率と靭性に対する成分の影響。 (e): 層状構造により、亀裂の伝播を防ぎ、強度を高めます。 (f): 複合材料の靭性に対する層数の影響。スケールバー、100 μm (a)、1 mm (e)。
図6. 3D千鳥配列木製杭構造の機械的特性。 (a): 印刷経路の概略図。 (b): 圧縮応力-ひずみ曲線。 (c): 圧縮試験中に印刷された構造物の対応する破壊プロセス。スケールバー、5 mm (c)。
より多くの機能モジュールとさまざまな組み立て方法を導入することで、高度にカスタマイズ可能な押し出しヘッドを設計し、独自の特性と新しい機能を備えた複雑な構造繊維を準備することができます。設計の柔軟性と材料の適合性により、研究チームの戦略は建築、オプトエレクトロニクス、バイオメディカルスキャフォールドなどの分野で優れた応用の見通しを持っています。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234

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