3Dプリントナノインクがボトルネックを解消し、業界の限界を押し広げる

出典：中国科学日報米国ミシガン工科大学の機械工学研究者らは、カーボンナノチューブ（CNT）を使用して3Dプリント用ナノ複合ポリマーインクを製造する方法を発明した。カーボンナノチューブは高い引張強度と軽量性で知られており、この革新的なインクはエポキシ樹脂に代わる可能性があります。
この新しいタイプの 3D プリント可能なポリマーナノ複合インクは驚くべき特性を備えており、航空宇宙、医療、電子機器の分野で幅広い用途に使用されています。
3D プリントプロセスと「ドッグボーン」ナノ複合材料の引張試験片。画像クレジット: 第一著者 Masoud Kasraie
3D プリンティングは、付加製造とも呼ばれ、鋳造よりも用途が広く、効率的です。複雑な形状に材料を正確に追加できるため、不要な切断が大幅に削減されます。カーボンナノチューブ、グラフェン、金属ナノ粒子、量子ドットなどの低次元ナノ材料を追加すると、3D プリントされた材料を外部刺激に適応させ、電気伝導性、熱伝導性、磁性、電気化学的貯蔵などの特性を与えることができます。
プラスチック、金属、その他の材料を使用した 3D プリントは新しいものではありません。研究者らが他のものと違うのは、ポリマーナノ複合材料（エポキシ、カーボンナノチューブ、ナノクレイでできたもの）と、機能性を犠牲にしない印刷プロセスを使用したことだ。ポリマーナノ複合インクでは、材料の種類と形態（サイズ、形状、構造）の組み合わせが、形態と機能の究極の融合となります。
材料、力学、医学の界面を研究するエンジニアの Parisa Pour Shahid Saeed Abadi 氏と大学院生の Masoud Kasrae 氏は最近、ポリマーインクの加工、形態、特性について研究する論文を Additive Manufacturing 誌に発表しました。

研究者がポリマーインクを使ってレースに全力疾走する前に、まず歩くことを学ばなければならないと著者らは指摘している。最初のステップは、マクロスケール（人間の目が物質の特性をどのように認識するか）とナノスケール（人間の目では見えないが、起こっていることはわかっているもの）の交差点を詳しく調べることです。
アバディ氏は、ポリマーナノ複合材料と3Dプリント製品およびサービスの市場価値はどちらも10億ドルである一方、ナノマテリアルの3Dプリントの市場価値は約4,300万ドルに過ぎないと指摘した。
ポリマーをプラズマエッチングした後、電子顕微鏡でナノマテリアルが 3D 印刷方向に整列していることが明らかになりました。画像提供: マソウド・カスライエ
「3D プリントとナノマテリアルの実際のアプリケーションと、ナノマテリアルの 3D プリントとの間のギャップを埋める必要があります」とアバディ氏は言います。「現在のギャップは、3D プリント中にナノ複合材料の特性を制御できないために存在しています。プロセス、形態、特性の関係を完全に理解していないためです。」
このボトルネックは、3D 印刷プロセスのマクロ力学とナノ複合材料のナノ力学および物理学との間の複雑な相互作用を理解することにあります。 Abadi らは、パズルの最も重要なピースである、3D 印刷プロセスパラメータとナノ複合印刷インクのナノ材料の形態との関係を調査することで、このボトルネックを軽減しようとしました。
著者らは、この材料は多くの機能性を持つため、ナノ複合インクの科学を超えて大きな可能性を秘めていると述べている。 3D プリントの利点の 1 つは、最終製品の形状をほぼ完全に制御できることです。
新しいナノマテリアルインクの導電性により、プリントされたエポキシを、回路基板、飛行機の翼、あるいは血管内のカテーテルを誘導するための 3D プリントされたアクチュエーターなど、電線としても使用できるようになります。ナノ複合ポリマーインクのもう一つの有用な特性はその強度です。「鋼鉄やアルミニウムと比べると、同じ強度のエポキシ複合材は重量を80パーセントも削減できることがわかった」とカスラエ氏は語った。
さらに、ナノ複合材料は、欠陥や損傷が大きな問題を引き起こす可能性がある医療分野、航空宇宙産業、電子産業において安全機能を果たすことができます。「何かが壊れると、小さな欠陥から小さな亀裂が始まり、それが成長して構造全体を破壊します」とアバディ氏は言う。「ナノ複合材は、これらの亀裂を橋渡しして、亀裂が成長しないようにすることができます。これが、カーボンナノチューブが材料の機械的強度を高めるメカニズムの 1 つです。」
将来的には、ポリマーナノ複合インクが従来のエポキシ樹脂に取って代わると予想されます。性能、重量比、導電性、強度の向上、使いやすさなどがその理由のほんの一部だと著者らは述べている。
関連論文情報: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102098

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