ランニングシューズからヒントを得て、建物を衝撃から守るための3Dプリント製品を開発

テクノロジー
画像:Tatheer Zahra博士は、ランニングシューズやメモリーフォームの枕に使われている素材にヒントを得て、時速60kmで走行する自動車に相当する衝突被害などの高い衝撃力から建物を守るための3Dプリント製品をデザインしました。

ランニングシューズや形状記憶の枕に使用されている素材からヒントを得て、時速60kmで走行する自動車に相当する衝突被害やその他の高い衝撃力から建物を守るための3Dプリント製品を開発しました。

Smart Materials and Structures誌に掲載されたクイーンズランド工科大学(QUT) 材料科学センターおよびQUT 土木環境工学科のTatheer Zahra博士は、既製のバイオプラスチックを使用して、補助材料の挙動を模倣した幾何学的な形状を3Dプリントしました。

「補助材料は、伸ばすと平らになり、圧縮すると膨らむのではなく、一度にすべての方向に伸縮するため、エネルギー吸収性と耐荷重性に優れています。しかし、既存の市販補助材は高価で、地元では入手できません。そこで、同じ挙動を実現する幾何学的な形状を設計しました。」とZahra氏は述べています。

Zahra氏によると、3Dプリントされた補助材の形状は、複合材のスチールや繊維強化ポリマーメッシュの補強材に取って代わる可能性があり、また、柔軟で広く適用可能な保護壁材としても使用できるとのことです。

そのエネルギー吸収量は、実物大の建物の壁に厚さ20mmの強化複合材を使った保護材に相当し、時速60kmで走行する自動車の衝撃力に耐えられる可能性があると言います。


「このような形状の複合材を大規模に使用すれば、理論的には、ガス爆発、地震、風力、自動車の衝突などによる高衝撃や衝撃エネルギーに耐えることができます。オーストラリアでは、毎年約2,000件の自動車衝突事故が発生しています。建物への直接的なダメージコストを2.5%とすると、住宅へのダメージコストは年間約3,865万ドルになります。アパート、オフィスビル、レストラン、コンビニエンスストアなどにも車両が突っ込んでくるので、建物の損害額はもっと高くなるでしょう。人命の損失が最も高いコストとなるでしょう。」

Zahra氏は、石積みの壁はほとんどの商業施設や住宅に欠かせないものであるため、その保護は特に重要であると述べています。

©QUT

「石積みは非常に安価な素材で、騒音や熱に強く、木や鉄に比べて防火性能も高いのですが、モルタルの目地が全体の構造強度を弱めてしまうのです。この補助幾何学をモルタルに埋め込んで保護複合材を作れば、微生物や60℃以上の温度からも保護され、構造物の設計寿命を延ばすことができるはずです」と語りました。

ラボスケールで実証されたこれらの設計は、QUT Banyo Pilot Plant1QUT Banyo Pilot Plantでは、エンジニアリングのための専門的な研究テスト機能を提供しています。で実物大の石積みやコンクリート構造物でテストすることを目指しています。

「この設計は、製造プロセスが柔軟で、材料が容易に入手できるため、積層造形法による商業化に適していると思います。3Dプリントでは、異なる構造や要求される荷重に合わせて、幾何学的形状の材料、サイズ、デザインを変更することもできます。」

Zahra氏によると、バイオプラスチックは、繊維強化プラスチックやその他の非生分解性ポリマーに代わる、より持続可能で低炭素排出の選択肢を提供します。

また、1平方メートルあたり400ドルもする生分解性のない補助繊維を使用するよりも、コスト的にも有利だと言います。

Published by Queensland University of Technology. Tatheer Zahra, Behaviour of 3D Printed Re-entrant Chiral Auxetic (RCA) Geometries under In-Plane and Out-of-Plane Loadings, Smart Materials and Structures (2021). DOI: 10.1088/1361-665X/ac2811