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炭素

25 giugno 2014

2014 年 6 月 25 日

ハーバード大学による

北米とヨーロッパの風力発電所では、最先端の技術を備えた洗練されたタービンが風力エネルギーを電力に変換しています。 しかし、これらの現代工学の偉業のブレードの内部には、明らかにローテクなコア素材であるバルサ材が組み込まれています。

軽さと強度の組み合わせを実現するためにサンドイッチパネル構造を使用する他の製品と同様に、タービンブレードには、世界の供給量の 95% を供給するエクアドル産のバルサ材の細片が注意深く配列されています。

何世紀にもわたって、成長の早いバルサの木は、その軽さと密度に比べた剛性の高さで珍重されてきました。 しかし、バルサ材は高価であり、木目の自然なばらつきが、タービンブレードやその他の高度な用途のますます正確な性能要件を達成する妨げになる可能性があります。

タービンメーカーが製造するブレードはますます大型化しており、現在最長のものは 75 メートルで、エアバス A380 ジェット旅客機の翼幅にほぼ匹敵します。これらのブレードは、数十年にわたって実質的にメンテナンスフリーで動作するように設計する必要があります。 精度、重量、品質の一貫性に対するより厳しい仕様を満たすために、メーカーは新しいサンドイッチ構造材料のオプションを探しています。

今回、ハーバード大学工学応用科学大学院 (SEAS) とウィス生物インスピレーション工学研究所の材料科学者たちは、繊維強化エポキシベースの熱硬化性樹脂と 3D 押出印刷技術の組み合わせを使用して、前例のない光をもつ細胞複合材料を開発しました。重量と剛性。 研究者らは、その機械的特性と製造の微細な制御（以下のビデオを参照）のおかげで、これらの新材料はバルサ、さらには入手可能な最高の市販の 3D プリントポリマーやポリマー複合材料を模倣し、改良していると述べています。

その結果を説明した論文は、オンライン誌「Advanced Materials」に掲載されました。

これまで、3D プリンティングは熱可塑性樹脂や UV 硬化性樹脂を対象として開発されてきましたが、これらの材料は構造用途のエンジニアリング ソリューションとして通常は考慮されていません。 「エポキシのような新しい種類の材料に移行することで、3D プリンティングを使用して軽量の建築物を構築するための新たな道が開かれます」とハーバード大学 SEAS の生物学的インスピレーション工学のハンシェールグ ウィス教授で主任研究者のジェニファー A. ルイス氏は述べています。 「基本的に、私たちは 3D プリント用の材料の選択肢を広げています。」

「バルサ材は、空間の大部分が空で、細胞壁だけが荷重を支えるため、重量を最小限に抑える細胞構造をしています。そのため、高い比剛性と強度を持っています」と、ハーバード SEAS での役割に加えて、ルイス氏は説明します。 Wyss Institute の中心教員でもあります。 「私たちはこの設計コンセプトを借用し、人工複合材料で模倣しました。」

ルイスと彼女のグループの元博士研究員であるブレット G. コンプトンは、粘度を高めるナノクレイ小板とメチルホスホン酸ジメチルと呼ばれる化合物を混ぜたエポキシ樹脂のインクを開発し、次に 2 種類のフィラーを追加しました。個別のカーボンファイバー。 得られる繊維充填インクの多用途性の鍵となるのは、充填剤の配向を制御できることです。

フィラーを堆積させる方向によって、材料の強度が決まります（薪を縦方向に割るのが容易であることと、木目に対して垂直に切ることの相対的な難しさを考えてください）。

ルイスとコンプトンは、彼らの技術により、木材と同じくらい硬く、市販の 3D プリントポリマーよりも 10 ～ 20 倍硬く、最高のプリントポリマー複合材よりも 2 倍の強度を持つ気泡複合材が得られることを示しました。 フィラーの配置を制御できるということは、製造業者が物体の組成、剛性、靱性をその設計とデジタル的に統合できることを意味します。

マサチューセッツ工科大学の材料科学および機械工学の教授であり、細胞複合材料の世界有数の専門家の一人であるローナ・ギブソン氏は、「この論文は、繊維強化細胞壁を備えたハニカムの 3D プリンティングを初めて実証しました。」と述べています。この研究には関与していない人。 「特に重要なのは、繊維のアスペクト比（直径に対する長さ）とノズルの直径を制御することで、繊維を整列させる方法です。これは、古くから知られている木材を模倣したエンジニアリング材料の設計において重要な前進を示します。」その重量に対する驚くべき機械的特性のためです。」

「フィラーの位置合わせの制御レベルをさらに高め、その方向性をコンポーネント設計にうまく統合する方法を学ぶことで、コンポーネント設計をさらに最適化し、材料効率を向上させることができます」と、現在オークリッジで積層造形のスタッフサイエンティストを務めるコンプトン氏は付け加えた。国立研究所。 「最終的には、3D プリンティング技術を使用して、繊維フィラーの整列度や局所的な組成をその場で変更できるようになるでしょう。」

この成果は、政府が定める厳しい燃費基準を達成するために軽量素材が鍵を握る自動車産業など、多くの分野で応用できる可能性がある。 ある試算によると、世界中で走っている 10 億台の車から 1 台あたり 110 ポンドを削減できれば、年間 400 億ドルの燃料を節約できる可能性があります。

3D プリンティングは、他の方法でも製造業を根本的に変える可能性を秘めています。 ルイス氏は、次のステップは、特にフィラーをブレンドして正確に位置合わせする技術を活用して、さまざまな種類の建築物を作成するための熱硬化性樹脂の使用をテストすることであると述べています。 これは構造材料だけでなく、導電性複合材料の進歩にもつながる可能性があります。

ルイス氏はこれまでに、血管系とリチウムイオンマイクロバッテリーを備えた組織構造体の 3D プリンティングに関する画期的な研究を行ってきました。

雑誌情報:先端材料

ハーバード大学提供