材料押し出しに基づく制御可能なソフトハードハイブリッド繊維強化熱可塑性複合材料（CCFRTP-TSSH）の研究

この投稿はCoco Bearによって2022-5-1 22:39に最後に編集されました。

はじめに: 革新的な製造技術として、材料の押し出しは熱可塑性複合材料の製造において大きな可能性を示しています。しかし、材料押し出しに基づく調整可能なソフトハードハイブリッド繊維強化熱可塑性複合材料 (CCFRTP-TSSH) を製造するために制御可能な複数の熱可塑性材料を適用することについては、広く研究されていません。

2022年4月、南極熊は、浙江大学機械工学学院、西北工業大学航天学院、中国科学院第四研究所などの研究者が「Additive Manufacturing」誌に「制御可能なマルチマテリアル積層造形技術を用いた調整可能な軟質・硬質ハイブリッド繊維強化熱可塑性複合材料」と題する研究を発表したことを知りました。研究者らは、熱可塑性構造の強化材として連続炭素繊維 (CCF) を使用する、制御可能なマルチマテリアル付加製造プロセスを提案しました。熱可塑性ポリウレタン（TPU）とポリ乳酸（PLA）をそれぞれ軟質材料と硬質材料として使用することで、構造強化と制御可能な軟質・硬質混合を実現します。具体的な研究内容を見てみましょう！

これまでのマルチマテリアル押し出し印刷の方法は、主に次の 2 つの方法に重点が置かれていました。 （i）単一ノズル押し出し、すなわち、１つのノズルの溶融ゾーンで様々な熱可塑性材料を混合すること。 （ii）マルチノズル押出成形では、各熱可塑性材料に個別のノズルが割り当てられます。現在、単一ノズル押し出しでは、混合色印刷または均一な熱可塑性材料の繊維強化のみが可能になっています。単一ノズル押し出しと比較して、マルチノズル押し出しプロセスでは必要な構築時間が短縮されますが、アイドルノズルからの熱可塑性材料の漏れなど、多くの問題も発生します。材料の押し出しは、ソフト・ハードハイブリッド複合材料の製造に大きな可能性を示していますが、まだ多くの問題に直面しています。 （i）材料輸送の動作制御。（ii）層の厚さ、ノズルの直径、堆積速度、構築方向、温度、材料比などのプロセスパラメータの選択。これらすべての要因は、さまざまな熱可塑性材料間の界面融合性能に影響を与え、最終製品の機械的特性に変化をもたらします。この研究の目的は、調整可能なソフト・ハードハイブリッド繊維強化材料を製造することです。

△制御型マルチマテリアル積層造形装置の模式図と実写真。 (a) 新ノズルシステムの概略図、(b) マルチマテリアル押出ノズル、(c) CCFRTP-TSSH 印刷概略図、(d) マルチマテリアル押出ノズルの等角図、(e) マルチマテリアル押出ノズルの断面図、(f) マルチマテリアル押出ノズルの底面図、(g) 積層製造装置の概略図、(h) 積層製造装置の実際の写真。

研究者らは、CCF（連続炭素繊維）を3Dプリントされた熱可塑性構造に統合し、CCFRTP-TSSH（ソフト・ハードハイブリッド繊維強化熱可塑性複合材料）を製造しました。彼らは、ノズル温度、層厚、樹脂体積比 SRVR などのさまざまなプロセスパラメータで製造された CCFRTP-TSSH 試験片の機械的特性について体系的に調査し、議論しました。

△CCFRTP-TSSHの各種材料とプロセスパラメータの引張試験

結果によると、層の厚さが 0.3 ～ 0.8 mm の場合、引張強度は 44 MPa を超えます。また、試験片の引張強度は層厚の減少とともに徐々に増加し、層厚が 0.3 mm のとき、引張強度は 80.05 MPa となり、層厚が 0.8 mm の試験片の約 2 倍になります。さらに、押し出し比は引張強度に大きな影響を与え、SRVR の増加とともに引張強度も増加します。 SRVR が 0.72 に達すると、サンプルの引張強度は 90.89 MPa に増加します。また、ノズル温度も引張強度に影響します。実現可能なノズル温度は 200 ～ 220°C で、最適温度は 215°C です。

△ 異なる荷重方向におけるCCFRTP-TSSHの曲げ強度

3点曲げ試験から、曲げ強度は層の厚さと荷重方向に依存することがわかります。

異なるSRVRにおける△CCFRTP-TSSH試験片のSEM画像: (a) 0.66、(b) 0.68、(c) 0.70、(d) 0.72。

研究者らはまた、SEM を使用して、SRVR がさまざまなインターフェースの融合に及ぼす影響を実証しました。 SEM 画像では、SRVR の増加により PLA/PLA、PLA/CCF、PLA/TPU 界面間の空隙が減少し、CCFRTP-TSSH の機械的特性が向上するとともに界面接着も向上することが示されました。

同時に、研究者らは、制御可能で強化された調整可能なソフト・ハード混合を実現するために、さまざまなプロセスパラメータ下でのハード壁とソフト壁の厚さも研究しました。最終的に、いくつかの異なる部品の製造に成功しました。提案された方法は、義肢の分野でかなりの応用可能性を秘めています。

△補綴用CCFRTP-TSSH部品の需要から製造までの全プロセス。

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