ORNLが超強力な砂構造物を印刷、現在ExOneが使用

はじめに: 米国のオークリッジ国立研究所は最近、バインダージェッティングの分野における最新の 3D プリントの成果を詳述した論文を Nature Communications に発表しました。
研究者らは、カスタマイズされたポリマーを結合剤として使用し、シリカ砂から構造物を印刷する高速かつコスト効率の高い方法を実証しました。この構造物は、自身の重量の300倍を支えることができることが実証されており、ORNLによれば、これはブルックリン橋にエンパイア・ステート・ビル12棟を載せるのと同等だという。実際、この構造はミニチュアの橋に似ています。
△3Dプリントされた砂（写真提供：ORNL）
バインダージェッティングプロセスでは、ポリマー樹脂を使用して物質を結合しますが、この紙に使用されている新しいポリマーはポリエチレンイミン (PEI) と呼ばれます。通常の接着剤と比較して、印刷された部品の強度が 2 倍になることが実証されています。 ORNL の研究者たちは、接着プロセスで最良の結果をもたらす可能性のある溶解性などの特定の材料特性を常に探しています。 PEI は、シアノアクリレートと反応して優れた強度を実現する独自の分子構造を持っています。
通常、バインダージェッティングで作られた部品は多孔質であるため、シアノアクリレート (スーパーグルー) を使用して孔を埋め、部品の密度を高めて強度を高めます。このステップにより、PEI の強度がすでに 2 倍になっていることに加えて、部品の強度が 8 倍に増加します。この追加の強度増加は、PEI と接着剤の反応によって得られます。従来のバインダーと比較して、新しい砂材料はテクスチャ強度が 6.28 MPa であり、曲げ荷重に関しては無筋コンクリート (約 4.5 MPa) よりも強力です。
なぜ砂を使うのですか?
砂は非常に安価で豊富に存在するため、産業、特に複合材製造用の工具に使用できます。砂は優れた熱特性も備えており、複合材の硬化温度にさらされても膨張しないため、製造業者は加熱されても砂ベースの型の寸法安定性を維持できます。
PEI は水溶性であるため、製造エンジニアや技術者は硬化後に部品を取り外して洗浄し、そのまま使用することができます。砂中子が溶解するため、金型/ツールの除去に関連する労働コストが削減されます。
△プロセス図（画像提供：ORNL）
金型部品の精度を確保するには、加工中に形状が変化しない材料が必要であり、そのために珪砂は常に期待されてきました。砂部分の構造上の弱点を克服することが、研究者が直面している最大の課題です。高強度ポリマー砂複合材の探索は、バインダージェッティング法を使用して製造される部品の高度化を促進し、より複雑な形状を可能にし、製造、ツール、建設における用途を拡大する可能性があります。
この新しい素材は ExOne によってライセンス供与され、同社の機械に使用される予定であることが分かっています。実用的なアプリケーションの登場もそう遠くないと信じています。

参考文献: Gilmer, DB, Han, L., Lehmann, ML et al. ポリエチレンイミンバインダーによる強固なシリカ砂構造の付加製造。Nat Commun 12, 5144 (2021)。参考文献: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0

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