研究者らは、構造コンクリートのような性能を持つ3Dバインダージェットジオポリマーを開発

2022年5月30日、南極熊は、海外の3Dプリント研究チームが構造用コンクリートに匹敵する性能を持つバインダージェット3Dプリントジオポリマー構造を開発し、今後さまざまな建物に利用されることが期待されていることを知りました。
研究チームの主な目標は、セメントを使用せずにメタカオリン（脱水酸化粘土鉱物カオリン）を3Dプリントすることであり、まず砂とメタカオリンのみで構成された原料を作成することから始め、これにより、よりクリーンかつ持続可能なプロセスで欠陥のない粉末層を持つ角柱状のジオポリマー部品の製造が可能になると主張している。
△カオリンと砂の原料の形成とバインダージェッティング3Dプリントプロセス。画像はAdditive Manufacturingより。
ジオポリマーの利点<br /> 近年、建設分野では 3D プリントの使用が増えていますが、セメント製造は長い間、温室効果ガスの排出量とエネルギー消費量の増加と関連付けられており、3D プリントされたコンクリート構造物の全体的な持続可能性を悪化させています。セメントはまた、自己収縮率が高く、水和熱が高く、コストが高いという問題もあります。
対照的に、ジオポリマーは、従来のセメント系複合材よりも耐火性と耐久性に優れた、硬化が速く、コスト効率が高く、環境に優しい代替品を提供します。そのため、コンクリート構造などの従来の材料に匹敵する3Dプリントジオポリマー構造の研究が近年注目を集めています。
例えば、2017年にシンガポールの南洋理工大学は、石炭燃焼プロセスの副産物として生成された廃棄フライアッシュ粒子を使用してジオポリマーセメントを開発しました。フライアッシュの使用により、従来のセメント生産における二酸化炭素排出量が大幅に削減されるとともに、材料に優れた耐熱性がもたらされます。
より最近では、2020年にスウィンバーン工科大学とフランスの建設会社ブイグ・トラヴォー・パブリックが機械学習技術を導入し、より強力な3Dプリントジオポリマーセメントを開発し、その後、建設分野で使用される他の3Dプリント化合物の安定性を分類するためのロードマップを作成しました。
△シンガポールの南洋理工大学のデンソーロボットアームがジオポリマー構造を 3D プリントしています。画像はCleaner Production誌より。
3D バインダージェッティングジオポリマー<br /> この分野における最新の研究は、石材3Dプリント会社Desamaneraとイタリアのパドヴァ大学、エジプトの国立研究センター、米国のペンシルベニア州立大学、アルゼンチンのセラミックスおよび鉱物資源技術センター（CETMIC）を含む国際的な研究者チームによるものです。
この研究の主な目的は、セメントを使用せずにメタカオリンを印刷することだった。これを実現するために、研究者らは、メタカオリンで覆われた砂粒子からなる適切な流動特性を持つ原料を生産できる造粒技術を開発しました。
バインダージェッティング 3D プリントプロセスにより、研究者はメタカオリンがアルカリ溶液と反応するときに発生するジオポリマー化プロセスを活用することができました。
粉末床にアルカリ溶液を噴霧することにより、造粒プロセスでは粉末床内のメタカオリンの割合を高く（30wt%）し、欠陥のない粉末層が印刷されることを保証します。印刷プロセス中、噴射されたアルカリ溶液がペレット内のメタカオリン粉末と反応してジオポリマーを形成します。
研究チームは、2 つの原材料で構成される構造ジオポリマー部品を製造するために、市販の大型バインダージェッティング 3D プリンターを選択しました。1 つはメタカオリンおよび砂のみで構成され、もう 1 つは粉末混合物に少量の市販の急速硬化セメントが含まれています。
研究中、3D プリントされたサンプルはすべて耐水性があり、7 日間水にさらされた後でも強度に目立った違いは見られなかったことが判明しました。 30wt% メタカオリンを使用して作られた 3D プリントされたジオポリマー部品は、残留多孔率が 30% の場合でも 20MPa の圧縮強度を示しました。
研究者らは、メタカオリンのみを含む 3D プリントされたジオポリマーは、セメントを含むジオポリマーと同じ印刷精度と解像度を持っていることを観察しました。研究チームによれば、これは、セメントを必要とせずに強力で高解像度のジオポリマー部品を製造するためのジオポリマーゲルを調製するための、対応するメタカオリン粒子の高い反応性を裏付けるものである。
チームの造粒技術により、粉末床に導入される微細で反応性の高いメタカオリン粒子の質量率を高め、原料の流動性を維持し、欠陥のない層の印刷が可能になります。
研究チームはまた、粉末床に速硬化セメントを追加しても、ジオポリマー部品の印刷精度や強度に影響がないことを発見した。 3D プリントされたジオポリマー構造を 1 週間水に浸した後も、強度に目立った変化は見られず、チームはその配合が屋外や水に接触する用途に使用できると考えています。
この研究の詳細については、Additive Manufacturing誌に掲載された「ジオポリマーとバインダージェッティングを使用した無機部品の積層造形」という論文をご覧ください。この研究の共著者は、H. Elsayed、F. Gobbin、M. Picicco、A. Italiano、P. Colombo です。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003062

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