剛性か弾力性か? 3Dプリントにより特性が変化したプラスチック材料

剛性か弾力性か? 3Dプリントにより特性が変化したプラスチック材料
南極クマの紹介:近年、多くの大学の研究プロジェクトでは、積層造形による多機能材料の開発が行われています。例えば医療分野では、臓器や骨の構造を再生できる繊維の開発や、先進的なバイオメディカル機器の設計が重要です。

△プリンストン大学の研究者らが新たな弾性材料を開発した
2025年1月6日、Antarctic Bearは、プリンストン大学の研究者が工学分野で新たな進歩を遂げ、柔らかいものから硬いものまで調整可能な特性を実現できる熱可塑性エラストマー(TPE)をベースにした新しい3Dプリント材料を開発したことを知りました。アリス・ファーガソン氏とエミリー・デイビッドソン氏が主導するこの研究は、医療機器やバイオメディカル機器の設計における積層造形の使用を拡大するだけでなく、他の業界に新たな材料の選択肢を提供します。

研究チームが選択した TPE は、独自の溶融成形および冷却固化特性を持つブロック共重合体であり、エンジニアは 3D 印刷技術を通じて材料の物理的特性を正確に制御できます。この材料は、弾性マトリックス内に分散された剛性ナノスケールシリンダーで構成されており、材料内に特殊な構造を形成して、全体的な柔軟性を維持しながら局所的な剛性を実現します。

具体的には、この材料の剛性円筒構造の厚さはわずか 5 ~ 7 ナノメートルで、これは人間の髪の毛の直径や DNA らせんの直径の 1/18000 に相当します。このスケールを正確に制御することで、この材料に前例のない特性がもたらされます。研究者らは、3D 印刷プロセス中に印刷速度と材料の押し出しを調整することで、シリンダーのナノスケール配向を実現し、局所的な硬い領域と柔らかく弾性のある領域を持つ複合材料を作成することができました。

△新しい3Dプリント素材は柔らかいものから硬いものまで調整可能
自己治癒特性

このプロセスの最も興味深い点は、プラスチック材料の熱アニーリングと自己修復特性です。ファーガーソン氏は、熱アニーリングによって印刷後の材料の特性が大幅に向上すると説明した。このプロセスにより、ラボで印刷されたオブジェクトを何度も再利用でき、損傷した場合でも自己修復できます。これらの自己修復特性を実証するために、研究者らは柔軟な印刷材料のサンプルを切り取り、それをアニール処理して修復した。彼らの観察によれば、復元された資料は元のものと目立った違いはなかった。

研究チームのメンバーであるエミリー・デイビッドソン氏は、現在市場に出回っている同様の材料は高価なだけでなく、制御された押し出しや紫外線処理などの複雑な加工プロセスが必要で、1グラムあたり約2.50米ドル(約18人民元)かかると強調した。対照的に、このプロジェクトで使用される TPE は 1 グラムあたりわずか 0.01 ドル (約 0.07 人民元) で、商用グレードの 3D プリンターを使用して印刷できるため、コストが大幅に削減され、大規模なアプリケーションが容易になります。


この研究の中心的な目標の 1 つは、コスト効率が高く、拡張が容易な工業的手法を採用しながら、局所的に調整可能な機械的特性を持つ柔らかい材料を開発することです。デイビッドソン氏は、このアプローチは、ソフトロボット、医療機器、義肢、高性能のカスタマイズされた靴底など、高度なソフトマテリアルの設計に幅広く応用できる可能性があると指摘した。

今後、研究チームはウェアラブル電子機器やバイオメディカル機器などの用途向けに、新しい 3D プリント アーキテクチャをさらに開発する予定です。



材料、プラスチック、エラストマー、TPE

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