3Dプリントされたシャコのような構造は驚異的な強度を実現

この投稿は warrior bear によって 2022-7-15 22:19 に最後に編集されました。

2022年7月15日、南極熊は、深圳高性能材料付加製造重点実験室と南方科技大学の研究者グループが自然界のシャコからヒントを得て、バイオニック構造の強化セラミック複合材料の3Dプリントを試みたことを知りました。
さまざまな産業用途において靭性が重要な要件であるため、損傷耐性のあるセラミック複合材の需要が高まっています。これらの材料は化学的安定性と機械的安定性を兼ね備えている傾向があり、自動車、航空宇宙、エネルギーシステムなどあらゆる用途に使用できます。
残念ながら、アイスキャスティングやフリーズキャスティングなどの今日の従来のセラミック複合材加工技術の多くは、金型製造の制限により、複雑でカスタマイズされた形状の部品を作成することができません。
研究チームは現在、シャコに見られる保護構造とデジタル光処理（DLP）3D印刷技術を組み合わせて、幾何学的に複雑なセラミック複合部品を作成する方法を研究しています。
△シャコ。写真提供：カリフォルニア大学バークレー校のロイ・L・コールドウェル氏。
シャコの何がそんなに特別なのでしょうか？
シャコは、シャコ科のエビとも呼ばれ、小型で多彩な色彩を持つ海洋甲殻類です。彼らは攻撃的な性質と、二股の手足として知られる特徴的な拳型の付属肢で知られています。
この内蔵武器は、カニやカタツムリなどの硬い殻を持つ獲物を粉砕して殺すために使用され、信じられないほどの力で動き、最も保護的な殻さえも突き破ることができます。実際、ツインジョーは最大 10,000 g の加速度に達し、.22 口径の弾丸の速度に匹敵する衝撃力を生み出すと考えられています。
しかし、なぜそれほど耐久性があるのでしょうか?二股の肢部セグメントは二重連続構造を特徴としており、衝撃を吸収し、損傷を与えるせん断波を難なく除去します。有機物は昆虫や甲殻類の殻によく見られる化合物であるキチンでできており、無機相は非晶質のリン酸カルシウムと炭酸カルシウムで構成されています。二重の爪構造により、割れにくいシールドが形成され、胴体を保護し、シャコの獲物を寄せ付けません。
△二分肢構造。写真はパデュー大学のパブロ・ザヴァティエリ氏によるものです。
硬度が116倍に増加しました<br /> この研究では、研究チームは自然生物からインスピレーションを得て、二連続ジルコニア/エポキシ相を使用して複雑なセラミック複合構造を 3D プリントしました。
△(A) シャコの写真（クレジット：Unsplash/CC0 パブリックドメイン）と、分岐肢の衝突面にある二連続セラミック/ポリマー相構造。 (B) 体積分率40.8%の均一傾斜セラミックスとその複合材料の設計と製造プロセス。 C) 焼結セラミックブラケットと複合材料の硬化および研磨後の典型的な写真。サンプルサイズは 12 × 12 × 12 mm3 です。 D) セラミック/ポリマー界面接合の分子動力学シミュレーションとSEM画像。スケールバー: 10 μm。
生体模倣プリント構造の強度をテストするために、研究チームはこの概念を歯科修復に適用し、体積比 75% のジルコニアを使用して一連の歯科ブリッジを 3D プリントしました。ブリッジの段階的セラミック壁の厚さは 0.3 mm から 0.7 mm まで直線的に増加し、コンポーネントにかかる圧縮応力を均一に分散する段階的な応力分布を示します。
一連の圧縮テストで、チームは印刷したセラミック複合材が純粋なセラミックよりも 213% 強力であることを発見しました。印刷された部品ではヤング率はわずかにしか増加しません。驚くべきことに、印刷された構造は 116 倍の剛性があり、従来の技術では製造できなかった独自の形状も実現できました。
結局のところ、この研究はシャコの二連続構造を模倣する上で大きな可能性を示しています。 3D プリントされたセラミック複合材は、優れた靭性と圧縮強度特性を示し、カスタム歯科修復用途に特に役立ちます。
研究の詳細は、「生体模倣強化設計によるセラミック複合材の 3D 印刷」と題された論文に記載されています。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422004195
これは、バイオミミクリーを中心とした付加製造研究の最初の例ではありません。アンタークティック・ベアによる以前の報告では、米国の研究チームが3Dプリント技術を使用して、タコにヒントを得た吸盤を作成した。バージニア工科大学が率いるチームは、物体を検知し、数ミリ秒以内に自動的に接着を開始できる、自然にヒントを得た独自の神経システムを開発した。着用可能な手袋に組み込まれた粘着性のある皮膚は、水中環境で物体を操作する新しい方法を提供します。バージニア工科大学、水中接着機能を実現できる 3D プリントされたバイオニックタコ吸盤を開発 - 南極クマ 3D プリントネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
一方、ETHチューリッヒの研究者たちは蝶の羽からヒントを得て、人工的でカラフルなナノ構造物を3Dプリントした。熱帯アフリカ原産の Cynandra opis 種の羽は、鮮やかな色が特徴です。しかし、これらの色は色素に基づくものではなく構造に基づくものであり、つまり翼表面の複雑なナノ構造によって生成されることを意味します。

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