ウォータールー大学: 機能性グレードセラミックを使用した 3D プリントのランプシェード

ウォータールー大学: 機能性グレードセラミックを使用した 3D プリントのランプシェード
2023年1月18日、アンタークティックベアは、カナダのウォータールー大学の研究者が、機能的に傾斜したセラミックを使用して家庭用品を3Dプリントする新しい方法を提案したことを知りました。



機能的に傾斜した材料を正確にプログラミングすることで、研究者は特定の用途のニーズを満たすさまざまな表面特性を材料に与えることができます。ウォータールーチームは段階的に変化する粘土ベースの複合材料を作成し、現在では湿式処理中にその形状を変化させる方法を開発し、ランプの照明を「段階的に」変化させることができるランプシェードに 3D プリントを適用しています。


△研究者の一人が3Dプリントしているランプシェード。写真提供:ウォータールー大学のジェームズ・クラーク・ヒックス氏。

プリントビルド構造の変更<br /> 現在建設業界で使用されているセラミック配合物に関しては、材料の均質性が注目されることが多いです。個々のセラミックユニット間の一貫性により、生産プロセスの予測可能性とコストが向上し、レンガやタイルとしての応用にも役立つためです。

伝統的な粘土製造のもう一つの核となる要素は、材料の性能特性の調整、つまり変形を最小限に抑える方法です。湿式工程で型を使用するなど、粘土を成形する方法は数多くあります。 ウォータールーチームは、3Dプリント部品の粘土の塑性変形特性を利用することで、これまでは実現できなかった「可変断面」の構造物を構築できる可能性があると示唆している。研究者らは、これは、例えば不透明から高度に多孔質まで、望ましい安定性、断面幅、多孔性を備えた構造を作成するのに役立つと指摘している。


△ エンジニアのカスタムデジタルツールパス。画像はウォータールー大学より。

機能が徐々に変化する構造を作成する<br /> 機能的に傾斜した材料を調合した後、チームはそれに適した精密な 3D 印刷方法の開発に着手しました。粘土で部品を製造するのはポリマーよりも難しく、粘土は重く、粘弾性が高く、界面結合強度が低いため、3D モデルと印刷されたモデルの間に違いが生じる可能性があります。 この問題に対処するため、研究者たちはスライス ソフトウェアを使わず、Grasshopper で独自のツールパス設計を考案し、材料のたるみ特性を利用して非平面構造を作成することにしました。

ジオメトリ生成、印刷解像度、押し出しドメイン、速度値の数値変数の数を減らすためにツールパスを数回繰り返した後、チームはそれを実際に使用しました。ウォータールーのエンジニアは、液体堆積モデリング (LDM) 3D 印刷技術を使用して、機能的な傾斜を備えた開口部を製造し、ライト スクリーンにさまざまな多孔性を持たせて照明の明るさを変えることを可能にしました。

開口部は、一連の支えのない張り出し部分を積み重ねることによって作られ、研究者らは、小さい、中くらいの、大きい隙間を持つ光スクリーンを備えた3つの異なるデザインをテストした。これらのうち最小のものは開口部が 1 層でしたが、より大きな構造ではそれぞれ 11 層と 17 層の周期的な製造が使用され、いずれの場合も最終的に成功した構造が生み出されました。

研究者の実験で最も印象的だったのは、最大のランプシェードに 2 つの異なるパターンが含まれており、その外側が重なり合って 2 つの異なる照明ラックを形成していたことです。将来的には、ランプ、装飾部品、プライバシースクリーンなど「さまざまな基本的な形状」にこの手法を適用できる可能性があると研究チームは述べている。


△研究者らによる機能傾斜材料の3Dプリント手法の概要。写真提供:ウォータールー大学。

その他の粘土 3D プリント<br /> 3D プリント業界では一般的ではありませんが、建築材料としては非常に一般的に使用されています。 WASP はこの分野の先駆者の 1 つであり、粘土対応技術の進歩を続けており、2021 年にはホンダの 3D プリント バイク モデルの印刷にも成功しています。



より実験的な応用として、デルフト工科大学の研究者らは以前、焼成粘土をベースにした 3D プリントセメントを開発しました。従来のセメントと比較して、この新しいセラミックは、精密押出成形の重要な要素である流動性、水和特性、作業性が向上します。

詳細な研究内容については、元の論文をダウンロードしてください:https://doi.org/10.1007/s44150-022-00079-0

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