AM: 液晶エラストマーエネルギー消費構造の投影光硬化印刷

出典: EngineeringForLife

投影光立体造形法 3D プリンティングでは、従来の製造方法では実現不可能であった、特定の微視的および巨視的システムを備えた複雑な階層構造を作成できます。最近、コロラド大学のChristopher M. Yakacki教授のチームと、南方科技大学機械エネルギー工学部のGe Qi教授のチームが、「Advanced Materials」誌に「デジタル光処理3D印刷による液晶エラストマーベースの散逸構造」と題する論文を発表しました。この研究では、投影光硬化印刷に使用できる液晶エラストマー（LCE）樹脂材料を提案しました。この材料は、さまざまな複雑で高精度なエネルギー消費デバイスの印刷に使用できます。この材料で印刷された構造物のエネルギー消散効果は市販の感光性樹脂の 27 倍であり、その特殊な機械的特性は高エネルギー吸収デバイスの開発と応用に役立ちます。

まず、研究者らは新しいタイプの光硬化性 LCE 樹脂を開発しました。光硬化投影法を使用して印刷された LCE 構造 (図 1、図 2) は、スケールを超えて制御可能な機械的特性を備えています。具体的には、メソスケールでは、粘弾性は化学によって制御され、マイクロスケールでは、機械的挙動は格子構造によって制御され、マクロスケールでは、印刷されたデバイスの形状を調整することで機械的特性が制御されます。
図 1 は、異なるスケール (メソスコピック、ミクロスコピック、マクロスコピック) での印刷効果を示しています。図 2 光硬化投影によって印刷された LCE 脊椎スキャフォールド構造。次に、研究者らは LCE 樹脂を使用して、直交異方性、等方性、横等方性の対称性を持つ 3 つの異なる格子構造を印刷し (図 4)、圧縮テストを通じて 2 つの材料の構造性能を比較しました。最終的な実験結果は、LCE ラティスのピーク応力が市販の樹脂ラティスのピーク応力よりもはるかに大きいことを示しています。

図3 印刷構造の応力応答の機械的テスト最後に、研究者はLEC印刷構造のひずみエネルギー密度と減衰性能（図4）をテストし、結果はそれが良好な緩衝効果とエネルギー散逸効果を持つことを示しました。

図4 異なる格子材料のひずみエネルギー密度と材料の減衰特性。一般的に、この研究では光硬化性LCE樹脂を開発し、投影光硬化印刷法を使用してエネルギー散逸構造を作成し、最終的にそのエネルギー散逸効果が市販の光硬化性樹脂で作られた構造よりもはるかに優れていることを明らかにしました。将来的には、LCE 素材の優れたエネルギー散逸により、圧縮率に応じて剛性を調整できるため、より広範囲の衝撃条件下で保護を提供できます。積層造形技術と組み合わせることで、印刷構造の機械的特性を特定の用途に合わせて簡単に最適化できるため、スポーツや個人用保護具、バイオメディカルデバイスで大きな役割を果たすことができます。

論文リンク:
https://doi.org/10.1002/adma.202000797

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