竹はFDMで印刷できますか？ポルトガルの研究者は竹繊維とABS素材の3Dプリントを組み合わせて高強度部品を製造

この投稿は warrior bear によって 2021-8-6 22:38 に最後に編集されました

はじめに：2021年8月6日、Antarctic Bearは、ポルトガルのアヴェイロ大学とアヴェイロ材料研究所の研究者が、竹繊維とABSを組み合わせて積層造形原材料を作成し、この混合物を3Dプリントして高強度で優れた機械的特性を持つ部品にするという新しい方法を開発したことを知りました。
研究チームは、2段階の反応プロセスを使用して、竹ベースの材料の疎水性、密度、熱質量を正確に調整できるまったく新しいバイオ複合材料を作成することができました。科学者たちは、調合された後、その材料を使ってサンプルを3Dプリントし、そのプロセスが材料の元の形状を損傷せず、製造された部品のあらゆる形状を強化する効果があることを発見しました。
△竹繊維の化学改質プロセスの模式図。画像はPolymer Journalより
有機充填フィラメント<br /> ABS などの 3D プリント材料を天然充填剤で強化すると、コスト、機械的特性、持続可能性の面で潜在的な利点が得られるため、これを最も効果的に実現する方法について現在重要な研究が進行中です。過去には、米、ココナッツ、麻などの植物成分が実験的な複合材料の作成に使用されていましたが、充填剤とマトリックスの良好な結合を実現することはこれまで困難であることが証明されていました。
竹自体は豊富で入手しやすい原材料であり、現在 21 か国で栽培されており、住宅などの建築物や家庭用品の製造によく使用されています。しかし、竹繊維は性質上親水性ですが、ポリマーマトリックスは疎水性であるため、3D プリント材料に統合するにはいくつかの化学ステップが必要になります。
これまでの研究で、研究者らは、例えばポリプロピレン（PP）と組み合わせて強化樹脂を形成するなど、竹繊維を改質すると、耐水性と機械的特性が向上することを実証した。そこで、ポルトガルのアヴェイロ大学のチームは先人たちからインスピレーションを得て、同様の方法を開発しましたが、竹をFDMフィラメントに加工しました。
△科学者による3Dプリント竹製品のプロトタイプ。画像はPolymer Journalより
竹繊維バイオ複合材<br /> 新しいバイオ複合材料を配合するために、科学者たちはジイソシアネートを使用して竹のサンプルを改質し、それが竹繊維の親水性を低下させ、ポリマーマトリックスとの親和性を高めることを発見した。改質プロセスの後、得られたハイブリッド材料は洗浄、乾燥され、5% の濃度で ABS と混合されてから、印刷可能な 3D フィラメントに押し出されました。
研究者らは、この材料を使って印刷実験を行う前に、SEM 分析を使用して準備プロセスを評価し、密度が多少犠牲になったものの、繊維の不純物がすべて除去されていることを発見しました。さらに、研究チームは、改良した材料は未処理の繊維から作られたフィラメントに比べて表面がより滑らかであり、最終用途への応用の可能性がさらに向上することを確認しました。
材料の加工性をテストするために、チームはAnycubic Chiron 3Dプリンターを使用してパドル型のサンプルのセットを押し出しました。興味深いことに、処理された繊維で印刷すると、熱安定性が低下することがわかりました。しかし研究者らは、その分解温度は一般に処理温度よりも高いため、印刷されたモデルの安定性には影響しないと指摘した。
処理された繊維試料をさらに画像化すると、ヤング率が向上し、破断時の伸びが減少していることが明らかになり、剛性が向上していることが反映されました。これらの結果に基づいて、研究チームは、このアプローチは、印刷可能なポリマーに竹を統合できるだけでなく、組み合わせ方を微調整することで潜在的に有用な製品を継続的に生み出すことが可能であることを実証していると推測しています。
△ 竹繊維複合材の微細構造アヴェイロ大学の研究チームは論文で次のように結論付けています。「私たちの研究結果は、複合材の加工性は影響を受けないことを裏付けています。処理された充填剤の使用により、材料の密度は低下しますが、元の機械的特性は失われません。実際、処理された繊維は 3D プリントされたサンプルの性能を向上させ、化学処理の利点を証明しています。この一連の結果は、化学的に改質された竹繊維の使用により、より高品質のバイオベースの 3D プリント材料を製造できることを示しています。」
△木材は、3D プリント用途の環境に優しい樹脂添加剤としてますます使用されるようになっています。写真提供：Forust
木材印刷の新たなトレンド<br /> 3D プリンティング業界全体がポリマーフィラメントに代わる環境に優しい新しい素材を探し続けている中、研究者たちは理想的な答えとして木材ベースの素材に注目するようになっています。ちょうど昨年、フライブルク大学のチームが有機リグニンとセルロース化学物質を組み合わせて、3Dプリント可能な新しいタイプの生合成ポリマーを開発しました。
木材を原料とする製造業の同様の例として、ドイツ連邦材料試験研究所の科学者たちはシロアリや昆虫の排泄物を、作業に必要な材料に変えた。チームは、粉末状の木材と小動物の糞を組み合わせることで、非常に精密な構造物を作ることができる循環型経済の原材料を生み出すことに成功した。
より商業的なレベルでは、デスクトップメタルは2021年5月にバインダージェッティング用の木製部品に特化したブランドである子会社Forustも立ち上げました。同社のプロセスは木材製造業や製紙業からの廃棄物の副産物と互換性があり、エポキシ樹脂と混合すると3Dプリント材料を作成することができます。
研究者らの研究結果は、ヌーノ・ガマ、サンドラ・マギナ、アルトゥール・フェレイラ、アナ・バロス・ティモンズが共著した論文「高品質の付加製造のための化学的に改質された竹繊維/ABS複合材料」に詳しく記載されている。
関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41428-021-00540-9

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