自重の300倍の重さに耐える3Dプリントされた砂を開発

自重の300倍の重さに耐える3Dプリントされた砂を開発 化学

米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の研究者らは、産業界で試作品や部品の製造に使用されている3Dプリント法であるバインダージェット積層造形に使用されるシリカサンドを結合し、強化するための新しいポリマーを開発しました。

このポリマーは、複雑な形状と優れた強度を持つ砂の構造を可能にし、しかも水溶性です。

Nature Communications誌に掲載された本研究では、3Dプリントされた6.5cmの砂の橋が自重の300倍の重さに耐えられることを実証しています。

これは、エンパイアステートビル12棟がブルックリン橋の上に乗っているようなものです。

バインダージェットプリントは、産業界で使用されている他の3Dプリント方法よりも安価で高速なプロセスであり、さまざまな粉末材料から3D構造体を作ることができるため、コストや拡張性の面で有利です。

コンセプトはインクジェット印刷から来ていますが、インクを使う代わりに、プリンターヘッドから液体ポリマーを噴出させて砂などの粉末材料を結合させ、3Dデザインを層ごとに構築します。

印刷された砂に強度を与えるのは、この結合ポリマーです。

研究チームは、ポリマーの専門知識を活用してポリエチレンイミン(PEI)のバインダー1結合剤を調整し、従来のバインダーに比べて砂のパーツの強度を2倍に向上させました。

バインダーを使って印刷したパーツは、プリントベッドから取り出すと最初は多孔質です。

これをシアノアクリレートと呼ばれる接着剤で埋めることで、強度を高めることができます。

この2つ目のステップにより、1つ目のステップの8倍の強度が得られ、ポリマーサンド複合材は、他のどんなものよりも、また石積みを含むどんな既知の建築材料よりも強くなりました。

「このような用途のバインダーとして適したポリマーはほとんどありません。私たちは、最高の結果を得るために、溶解性などの特定の特性を探していました。PEIバインダーのユニークな分子構造により、シアノアクリレートと反応して優れた強度が得られることを発見しました。」とこのプロジェクトの主任研究員であるオークリッジ国立研究所のTomonori Saito氏は語ります。

従来のバインダーで成形された部品は、瞬間接着剤などの浸潤材で高密度化されるが、PEIバインダーの性能に近いものはありませんでした。

PEIバインダーの優れた強度は、ポリマーが硬化する際にシアノアクリレートと反応して結合することに由来します。

超高強度の砂の用途としては、複合材料製造用の金型の開発が考えられます。

珪砂は安価で入手しやすい材料であり、自動車や航空宇宙の分野では、複合材部品の製造に関心が集まっています。

炭素繊維やガラス繊維などの軽量素材を、3Dプリントした砂の中子(ツール)に巻き付け、熱で硬化させます。

珪砂は、加熱しても寸法が変化せず、水洗いできるという独自の利点があるため、工具としては魅力的です。

複合材用途では、水溶性バインダーを使用して砂型を形成することで、水道水で簡単に洗浄して砂を除去し、中空の複合材形状を残すことができるため、意義があります。

「金型部品の精度を確保するためには、加工中に形状が変化しない材料が必要であり、そのためにシリカサンドが有望視されています。砂の部品の構造的な弱点を克服することが課題でした。」とテネシー大学ブレデセンセンターの学生で本研究の筆頭著者であるDustin Gilmer氏は述べています。

現在の砂型や中子は、ウォッシュアウトツールなどの市販の方法では熱や圧力がかかるため、最初で砂型が破損したり、失敗したりすることがあり、工業的な利用は限られています。

大規模な製造に対応し、迅速な部品生産を可能にするためには、より強度の高い砂型が必要です。

「私たちの高強度ポリマー砂複合材は、バインダージェット法で作ることのできる部品の複雑さを高め、より複雑な形状を可能にし、製造、工具、建設などの用途を広げます。」とGilmer氏述べています。

Published by Oak Ridge National Laboratory. Dustin B. Gilmer et al, Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled by polyethyleneimine binder, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25463-0