高重力材料押出システムと押出ポリ乳酸の性能向上

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14224 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

積層造形 (AM) は、従来の製造方法では実現が困難または不可能な複雑な形状や形状を迅速かつ簡単に製造できるため、近年大きな注目を集めています。 この研究では、遠心加速によって高重力場を生成する高重力材料押出（HG-MEX）システムの開発について紹介します。 このプロセスでは、材料はノズルを加熱することによって溶解され、その後建設プラットフォーム上に堆積されます。 この研究の主な目的は、AM の重要な側面である材料押出 (MEX) に対する重力のプラスの効果を評価することです。 これを達成するために、MEX ユニットと遠心分離機を備えた複合機が構築されます。 この HG-MEX システムは、材料の押出に対する重力の影響を分析および反映するために使用されます。 実験による評価は、高重力の適用が、MEX によって製造された部品の形状精度と性能を向上させるための有望なアプローチであることを示しています。 特に、我々の結果は、高重力下で MEX を利用して AM プロセスの性能を向上させる実現可能性を裏付けています。

積層造形 (AM) は通常、材料の層を順番に追加して 3 次元オブジェクトを作成するために使用されます1。 従来の製造方法とは異なり、AM は、他の方法では困難または実現不可能な複雑な形状や幾何学形状を簡単に製造できます2、3、4、5。 さらに、AM で使用される材料の範囲は多岐にわたり、プラスチック、金属、セラミック、さらには生物材料まで含まれます 6、7、8、9、10。 その結果、AM は航空宇宙、自動車、ヘルスケアなどの業界で幅広い用途に使用されています11。 したがって、AM は、より高速で、より効率的で、よりカスタマイズされた生産を可能にすることで、製造に革命を起こす可能性を秘めています。

AM の注目すべき特徴は、複雑な形状の柔軟な製造や個別の設計変更を容易にする能力です12。 Sehhat ら 13,14 は、溶融堆積モデリング (FDM) によって製造された部品の機械的特性に対する温度と材料の変動の影響を研究しました。 さらに、FDM によって積層的に製造された異方性材料の応力変形を検証しました。 さらに、Mohamed et al.15 は、FDM プロセスパラメータの最適化を研究しました。 さらに、Charalampous ら 16 は、FFF プロセスを介して製造された 3D プリント構造体の機械学習ベースの機械的挙動の最適化を調査しました。 さらに、Li et al.17 は、溶融堆積モデリングにおけるプロセス パラメーターが結合度および機械的特性に及ぼす影響を研究しました。 AM は、次世代の製造システムの中核技術となることが期待されています 18、19、20。 2010 年代に、NASA はさまざまな宇宙活動の持続可能性を確保することを目的として、国際宇宙ステーションで 3D プリンティング テストを開始しました21。 2020 年以降、月や火星のミッションを伴う長期プロジェクトでは、規制された宇宙環境でのメンテナンスと修理の能力が必要になります。 この点、AM は省資源・省スペース性に優れていることから大きな注目を集めている22。 地球においても、アメリカ、中国、ドイツなどで放物線飛行実験をベースにしたAMの微小重力場実験が行われている23。

微小重力 AM に関連する前述の研究活動により、微小重力環境は製造プロセスに適さないことが明らかになりました。 微小重力 AM では、材料をステージ上に固定するのは困難であり、浮力がないため堆積物に残った欠陥を取り出すことができません。 いくつかの AM 研究では、1 G 条件下であっても、高密度の材料供給を実現し、堆積物の微細孔を除去することを試みてきました 24。 報告された結果に基づいて、1G 条件下でいくつかの評価指標が改善されることが期待されます。 したがって、この結論は、1 G を超える重力レベルを活用する新しい AM 技術開発の動機として機能します。この点で、高重力材料押出 (HG-MEX) システムは、高環境下で動作するように設計された特殊な施設です。 -重力条件により、商業および産業用途に新たな機会が生まれます。 HG-MEX は、宇宙および微小重力条件における AM に関連する特定の課題に対処できる可能性があります。 したがって、効率的で信頼性の高い製造技術のニーズを満たし、宇宙および微小重力環境における AM を進歩させる上で、重要な役割を果たすことができます。