3Dプリントにおける固体エポキシ樹脂の応用とその等方性特性の改善に関する研究の簡単な分析

2022 年 5 月 5 日固体エポキシ樹脂は 3D プリントで広く使用されており、さまざまな機能部品の製造に適しています。 Antarctic Bear は、Reginald Davey という科学ライターの意見に基づいて、3D プリントに関する理解をまとめました。この記事では、これらの樹脂の積層造形における使用と、等方性特性を改善して温度と歪みの感知能力を強化した材料を作成する最近の研究について説明します。

△3Dプリントにおける固体エポキシ樹脂の応用に関する簡単な分析。画像提供：Shutterstock
エポキシ樹脂と付加製造 付加製造は、複数の業界や研究分野に革命をもたらす革新的な技術です。従来の製造方法と比較して、3D プリント技術には、廃棄物の削減、設計の自由度の向上、低コスト、迅速な生産、小ロット生産、統合組み立てなど、多くの利点があります。

エポキシ樹脂は多くの装置や部品の材料として適しています。たとえば、従来のプロセスを使用した自動車部品、印刷電子材料、コーティング、接着剤、繊維強化複合材料などです。

△3Dプリント用エポキシ樹脂の製造段階の模式図。 Googleからの画像
3D プリントエポキシ樹脂は、樹脂のコストが低く、複雑な形状を迅速に生成できるため、従来の材料に比べて優れています。硬化、樹脂の種類、光開始剤と硬化剤の役割、印刷された部品の特性などの技術は、これらの高度な材料を研究する上で重要な要素です。印刷プロセスと材料特性を最適化することは、3D プリントされたエポキシベースの材料とコンポーネントの商業的実現可能性を高めるために重要です。

等方性材料 等方性材料では、複数の方向でテストしても材料特性は一定のままです。これらの材料は、複数の方向でテストすると異なる特性を持つ異方性材料とは異なります。等方性材料の例としては、金属、プラスチック、ガラスなどが挙げられます。異方性挙動を示すエポキシなどの材料に等方性を誘導することは、機械的特性と機能性を強化した部品を製造するための材料科学研究における重要な方向性です。

材料押し出し3Dプリント 広く使用されている 3D 印刷プロセスは、熱溶解積層法または熱溶解フィラメント製造法とも呼ばれる材料押し出し (MEX) プロセスです。
材料の押し出しでは、エポキシフィラメントは固体の形で存在するため、簡単に扱うことができます。対照的に、選択的レーザー焼結法で使用される粉末やステレオリソグラフィーで使用される樹脂は、多くの場合危険であり、慎重な取り扱いが必要であり、保管に関して特定の特殊な要件があります。さらに、材料押し出しプロセスでは、他の方法よりも熱可塑性プラスチックを含む幅広い材料を処理できます。

△ 3Dプリントにおける固体エポキシ樹脂の応用の概略図。 Googleからの画像
材料押し出しプロセスは他の方法よりもコスト効率が高く、複数の押し出しノズルを使用してマルチマテリアル印刷を簡単に実現できます。押し出し材料は、選択的レーザー印刷などの他の技術によって添加剤に課せられる制限を受けることなく、他の材料で機能化できます。

しかし、MEX プロセスでは、印刷された材料が堆積後に急速に固まってしまうという問題があります。弱い界面結合は、層と充填線の間の拡散、および絡み合いの制限によって発生します。この技術には限界があり、それを克服するには別の技術が必要です。

△固形エポキシ樹脂を使用したMEX工法。画像はDrucker, S et al.より。
MEX最適化法 既知の研究では、MEX 印刷された材料の機械的異方性に対処するためにいくつかのアプローチが検討されてきました。
印刷速度、層の高さと幅、温度などのパラメータが最適化され、可能な限り強力な層結合が実現します。同時に、コンポーネントの最適な方向も使用できます。これらの方法の欠点は、個別に実行する必要があり、設計の自由度が制限されることです。

その他のアプローチとしては、材料特性と製造プロセスの最適化などがあります。カーボンナノチューブなどの樹脂充填剤を組み込み、マイクロ波放射を使用して加熱することでポリマー鎖の拡散を促進し、層間の接着性を向上させることができます。

いくつかの研究では、ガンマ線を使用してフィラメントの架橋を誘発することが報告されていますが、他の研究では、レーザーを使用して各層に熱エネルギーを誘発し、層間の結合を改善しています。しかし、上記の方法はコストを考慮せずに実行されており、複雑な設備とより多くの処理手順を必要とします。

MEX プリントエポキシ材料の等方性を実現 熱硬化性材料は、MEX 印刷で等方性を実現するもう 1 つの方法です。 3Dプリンティングに関する新たな研究によると、熱硬化性ポリマーフィラメントを低コストのMEXプリンターで印刷できるようになったのは初めてのことだ。この技術は、架橋を誘発し、MEX 印刷中に生成される機械的異方性を克服する後硬化プロセスを特徴としています。

△3Dプリント圧電材料の印刷段階。 Googleからの画像
研究者らは材料配合に高分子量の固体エポキシ樹脂を使用した。添加剤を加えた液状エポキシ樹脂を材料配合に加え、機能性材料の多機能化を実現します。

著者らは導電性を持たせるために単層カーボンナノチューブを材料に加えた。また、難燃性や帯電防止性などの他の特性を持つ樹脂充填剤も3Dプリント材料に加えることができ、さまざまな用途に利用できる可能性があると述べた。

樹脂に導電性フィラーを充填することで、圧電センサーなどのセンシング機能を備えた部品を印刷できます。さらに、カーボンナノチューブを使用することで、温度検知機能をスマートコンポーネントに統合できるようになります。 MEX プリントされた温度および歪みを感知する機能化材料に関する概念実証研究が実施されました。

これらの調査結果により、センシング機能をさらに調査する必要性、材料の電気的異方性、再現性、材料内のさまざまな充填剤負荷の影響に焦点を当てる必要性など、さらなる研究の方向性が特定されました。これらの研究は、優れた性能を持つコンポーネントを開発するための 3D プリンティングの可能性を示しており、さまざまな高度な電気機器に応用できる可能性があります。

参考文献および参考図書 Drucker, S et al. (2022) 材料押し出しによる等方性機械的特性を備えた機能的3Dプリント用の固体エポキシ樹脂 [url]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422001981 (転送ポータルはこちらをクリック) [/url]

Pirzada, M. 他(2020) エポキシ樹脂の付加製造：材料、方法、最近の動向

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b06870 (転送するにはここをクリック)

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