3Dプリントによりエアロゲルレンガのモジュール生産が可能に

3Dプリントによりエアロゲルレンガのモジュール生産が可能に
寄稿者: 王静、王富 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室


エアロゲルは1931年の発見以来、超低密度、低熱伝導率などのユニークな特性により注目を集めており、触媒担体、断熱材、空気中のナノ粒子のろ過に最適な材料です。特に、ポリイミドエアロゲルは、優れた機械的特性と優れた耐薬品性、耐熱性を備えているため、航空宇宙分野で広く使用されています。

アクロン大学の研究者らは、3Dプリントとエアロゲル製造を組み合わせた新しいプロセスを開発しました。 3Dプリント技術をベースに、SLA技術でレゴブロックに似た小さなレンガを作り、FDM技術で成形型を作り、型とレンガにエアロゲルを注入しました。その後、脱型や硬化などの後処理を経て、エアロゲルレンガのモジュール生産を実現しました。生産プロセスを図1に示します。結果として得られるレンガでは、3D プリントされた固体ポリマー構造が荷重支持要素として機能し、エアロゲル部分が断熱材として機能します。

図1 (a) レゴブロックと成形型の設計、(b) 中空ブロックのSLA印刷とPIエアロゲルのFDM印刷および超臨界乾燥によるエアロゲルブロックの製造プロセスの概略図

レゴ形状の中空レンガは、レンガの表面にダイヤモンド形、円形、または四角形の穴などの多孔質構造が分布するように設計されています。このような表面の特徴により、エアロゲルの注入が容易になり、ゾル-ゲル転移後の溶媒交換と乾燥が促進されます。表面の突起により、個々のレンガをモジュール方式で接続して、さまざまな形状、全体の長さ、機械的強度のニーズを満たすより大きな構造を形成することもできます。この研究では、図2に示すように、(1)SLAプリント中空レンガ、(2)ポリイミド(PI)エアロゲル+ SLAレンガ、(3)エポキシ樹脂+ SLAレンガ、(4)ポリイミドエアロゲル+エポキシ樹脂+ SLAレンガ、(5)SLA製ソリッドレンガ、および(6)10%SLA + SLAプリント中空レンガの6種類のゲルレンガも作成しました。

図 2. 中空 SLA レンガと、さまざまな硬化樹脂およびエアロゲルを充填したレンガ。
曲げ試験、応力ひずみ試験、多孔度および細孔容積の測定、表面積測定、微細形態観察(図3)、熱重量分析、熱伝導率および熱画像測定(図4)を含む一連の実験と比較を経て、アクロン大学の研究者らは、優れた性能と操作性を備えたポリイミドエアロゲルレンガのモジュール製造の実現可能性を実証しました。 3D プリントで得られたモジュラー エアロゲル レンガは、機械的強度に影響を与えることなく、さまざまなカスタマイズされた断熱構造を構築するために使用できます。エアロゲル部分は断熱に役立ち、SLA レンガは機械的強度の向上に役立ちます。
図3 (a) PIおよび10% SLA樹脂のBET等温線、(b) PIエアロゲルおよび(c) 10% SLA樹脂のSEM画像。 図 4 (a) 中空 SLA ブリックと 6 つの PI エアロゲル/SLA ブリックで構成されるアセンブリ、(b) アセンブリ図と温度スキャンに使用されるポイント、および (d) で報告されている熱流方向、(c) (b) の配置に対応して FDM プリント ベッド上に置かれた組み立てられたブリック、(d) プリント ベッドの温度が 120 °C に上昇したときのアセンブリの現場温度。
参考文献:

Joo Piljae、Yao Yimin、Teo Nicholas、Jana Sadhan C. 3Dプリント金型によるモジュラーエアロゲルレンガの製造[J]。Additive Manufacturing、2021、46:

エアロゲル、モジュール式

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