連続繊維複合材3Dプリント技術とバイオニックデザインへの応用

連続繊維複合材3Dプリント技術とバイオニックデザインへの応用
寄稿者: Liu Zhe、Gao Lin 寄稿部署: デフォルト: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室 出典: 中国機械工学会付加製造技術 (3D 印刷) 支部

繊維強化複合材料は、高強度の連続繊維とポリマーマトリックスで構成された理想的な高性能複合材料です。短繊維と比較して、連続長繊維は繊維複合材料の機械的特性をより効果的に改善できます。繊維強化複合材料の応用分野において、連続長束アラミド繊維強化複合フィラメントの製造と連続繊維印刷をどのように実現するかは、依然として大きな関心事となっています。

最近、吉林大学の研究チームは、従来の溶融プリンターを改良して連続長繊維複合材料の印刷を実現し、3D印刷技術を使用してカブトムシの下顎の構造に似たバイオニックデザインを生み出しました。まず、研究チームは 3D プリンターのノズルを改造し、図 1(a) に示すように、繊維とポリ乳酸 (PLA) を同時に押し出して繊維が埋め込まれた 3D プリント フィラメントを製造できるようにしました。ノズルを改造した後、PLAペレットを3Dプリンター押出機の供給ホッパーに注ぎ、溶融混合プロセスを通じてノズルでアラミド繊維と一緒に押し出し、連続アラミド繊維強化複合フィラメントを生成します。原理図を図1(b)に示します。

図 1 (a) 押出機の改造の概略図、(b) アラミド繊維強化複合フィラメントの製造の概略図。チームは自家製アラミド繊維/PLA フィラメントと純粋な PLA フィラメントの引張試験を実施しました。結果、アラミド繊維/PLA 複合フィラメントの引張強度は純粋な PLA フィラメントよりも 32% 高かったことが示されました。
図2(1)モデル構造の模式図、(2)力学実験データ、(3)引張破壊電子顕微鏡写真、(4)衝撃破壊電子顕微鏡写真。研究チームは、甲虫の下顎における繊維の交差配列を観察し、図2(1)に示すように比較実験用の4つのモデルを設計した。バイオニックファイバーの交差構造が機械的強度に与える影響を研究するために、引張強度や衝撃靭性などの4つのモデルの機械的特性に関する実験が行われました。結果は、図2(2)に示すように、アラミド繊維とPLA複合材料を使用したモデルIIIとIVの引張強度が、純粋なPLA材料を使用したモデルIとIIの引張強度よりもそれぞれ40%と12%高いことを示しています。積層繊維クロスウェブ試験片が外力を受けると、交差配置された複合フィラメントが亀裂の伝播を防ぐことができるため、平行配置された連続アラミドと比較して、バイオニック構造の複合材料はより優れた亀裂阻止性能を発揮します。しかし、繊維と PLA 間の層間結合は弱いため、バイオニック繊維複合材の衝撃靭性は純粋な PLA よりも低くなります。

このドキュメントでは、PLA と連続アラミドを使用した 3D 印刷繊維強化複合材料のための新しく効果的な準備方法を紹介します。これにより、アラミド繊維と PLA 界面の結合力を高めて機械的特性をさらに向上させるという新たな課題も生じます。

参考文献:
Shuigen L、Chang L、Yulong Z、et al. アラミド繊維複合材料の長い束による生体模倣甲虫下顎構造の連続3Dプリント。[J]。Biomimetics(バーゼル、スイス)、2023、8(3)。

バイオニクス、ロボット

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