ORNLの研究者は、自重の300倍を支えることができる砂の橋を3Dプリントするための新しいBJAMバインダーを開発しました。

この投稿は warrior bear によって 2021-11-14 21:01 に最後に編集されました。

はじめに: 珪砂は、熱膨張係数 (CTE) が低く、コストが低いため、バインダージェッティング積層造形 (BJAM) プロセスを使用して簡単に処理できる魅力的な粉末材料であり、特にツールや金型の製造に適しています。しかし、グリーン部品の機械的欠陥は常に大きなボトルネックとなっており、成形後のグリーン体の強度が低いため、その後の操作をサポートすることが困難であり、これもまた、金型におけるBJAMシリカ砂の広範な使用を妨げています。そのため、シリカ砂材料を結合し、成形体に優れた強度を与えることができるバインダーの開発は、科学者が研究しているテーマです。
2021年11月14日、Antarctic Bearは、オークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者がシリカ砂を結合して強化し、それを積層造形に適用するための新しいポリマーバインダーを開発したことを知りました。現在、この新しいポリマーの主な応用方向はバインダージェッティング製造であり、これは業界で試作や部品製造に使用されている 3D 印刷方法です。
このポリマーで結合されたプリント砂構造は、複雑な形状と高い機械的強度を備えており、さらに、水に溶けるという重要な特徴があり、プリントモデルの後処理プロセスを大幅に容易にします。この研究はネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0DOI: 10.1038 /s41467-021-25463-0
△図：バインダージェット積層造形（BJAM）プロセスと代表的なプリント。 BJAM プリンターと硬化プロセス。プリンターの供給側にある「砂」というラベルの付いた粉末は、逆回転するプリンターによってビルド側に移動されます。プリンター内の「砂」と表示された粉末は、逆回転ローラーによってビルド側に移動されます。バインダーの各層が堆積された後、ビルド側が下げられます。堆積後、ビルド側が下がります。印刷された部品は180℃で硬化されます。印刷中の粉末ベッド。バインダーがシリカ砂ベッドと結合して色が濃くなる様子を示しています。 c BJAM で生成された複雑な自立型砂の特徴。 BJAM で生成された複雑な自立型砂の特徴。(左) プレート a と (右) プレート b に葉の構造が示されています。写真の葉の構造と、（右）砂の上に複雑な特徴がプリントされた城。
この論文では、300倍の重量を支えることができる長さ6.5センチの3Dプリント砂橋も実証されており、これはブルックリン橋の上にエンパイア・ステート・ビル12棟を建てるのと同等の偉業だ。
△3Dプリントされた砂の橋。画像提供：ダスティン・ギルマー/テネシー大学
バインダージェッティング<br /> バインダージェット印刷プロセスは、業界で使用されている他の 3D 印刷方法よりも安価で高速であり、さまざまな粉末材料から 3D 構造を作成できるため、コストと拡張性の利点が得られます。このコンセプトはインクジェット印刷から派生したものですが、インクを使用する代わりに、プリントヘッドが液体ポリマーを噴霧して砂などの粉末材料を結合し、3D デザインを層ごとに構築します。
チームはポリマーの専門知識を活用し、ポリマーを結合することで印刷砂に強度を与えるポリエチレン（PEI）バインダーを設計しました。この接着剤は、従来の接着剤に比べてサンドブラスト部品の強度を 2 倍にします。
バインダージェッティングで印刷された部品は、プリントベッドから取り外された時点では多孔質です。シアノアクリレートと呼ばれる非常に強力な接着剤で隙間を埋めることで、デザインを強化できます。 2 番目のステップでは、最初のステップの強度が 8 倍に増加し、ポリマー砂複合材は、石材を含む他のあらゆる建築材料や既知の建設材料よりも強力になります。
「砂印刷のバインダーとして適したポリマーはごくわずかです」と、このプロジェクトの主任研究員であるORNLの斉藤智則氏は語る。「私たちは、溶解性など、最良の結果をもたらす特定の特性を持つバインダーを探していました。私たちの重要な発見は、PEI媒体のユニークな分子構造でした。部品を作るために瞬間接着剤などの浸透性材料を使用する従来の接着材料は、より密度の高い構造を持っていますが、どれもPEIの接着性能のレベルに近づくことはありません。PEIの優れた強度は、処理中にポリマーがシアノアクリレートと反応する方法に由来しています。」
新しいポリマーの発見により、3D プリント砂に優れた強度がもたらされる<br /> 超高強度砂の潜在的な用途の一つは、複合材料を製造するためのツールの開発です。珪砂は安価で入手しやすい材料であり、自動車や航空宇宙分野の複合部品の製造に使用できる可能性から長い間注目を集めてきました。
△ 斎藤智則氏がORNLのエネルギー製造実証施設で3Dプリントした砂の城を披露。画像提供: テネシー州オークリッジ国立研究所プレストンセンターの学部生で、この研究の主著者でもあるダスティン・ギルマー医学博士は次のように語っています。「3D プリントされた砂の芯、つまり「ツール」は、カーボンファイバーやグラスファイバーなどの軽量素材で包まれ、熱処理されます。珪砂は、加熱しても寸法が変わらないため、このプロセスに最適です。また、洗浄可能なツールであるという独自の利点もあります。複合材用途では、砂のツールを作るのに水溶性バインダーを使用することが重要です。これは、砂を水で簡単に洗浄して取り除くことができ、中空の複合材が残るためです。」
既存の砂型鋳造の鋳型は、主に従来の商業的方法と同様に、洗浄プロセス中に加えられる熱と圧力によって、最初の試行で部品が割れたり故障したりする可能性があるため、工業用途が限られています。したがって、大規模な製造をサポートし、迅速な部品生産を可能にするには、より堅牢な金型が必要です。
ギルマー氏は、新しい高強度ポリマーは成形と強化の機能に適しており、バインダージェットで製造された部品の複雑さが増し、より複雑な形状が可能になり、製造、ツール、建設の用途が拡大すると述べた。
さらに、この新しいバインダーは2019年に年間R&D 100賞を受賞し、業界パートナーのExOneから研究用にライセンス供与されました。

ORNLの研究者は、自重の300倍を支えることができる砂の橋を3Dプリントするための新しいBJAMバインダーを開発しました。

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