グラスゴー大学、自動車・航空宇宙向け超軽量・高衝撃3Dプリント複合材を開発

グラスゴー大学のエンジニアたちが、ポリオレフィンレジンとマルチウォールカーボンナノチューブをブレンドした3Dプリント複合材を開発しました。この材料は従来のアルミニウムより軽量かつタフ。最近の論文「ナノエンジニアード3Dプリントプレートラティスの衝撃挙動」（*Materials & Design*誌掲載）で、卓越した耐衝撃性を示す新規プレートラティス・メタマテリアルを詳述しています。

メタマテリアルは、自然界に存在しない特性を発現するよう設計されたセルラーソリッドです。プレートラティスはそのサブセットで、交差するプレートの立方フレームワークであり、高い多孔性を保ちながら驚異的な剛性と強度を達成し、軽量化を実現します。

チームは、独自のプラスチック・ナノチューブ複合材から作られたプレートラティス形状が、既存材料を剛性・強度・靭性で上回れるかを検証。複合フィラメントを3Dプリント原料として複数のラティス構造をプリントし、各々をドロップ衝撃試験（16.7kg重りを様々な高さから落下）で衝撃耐性を評価しました。

最初に、3つの標準的プレートラティス変種を作製：基本立方ユニット（3枚の交差プレート）、追加プレート交差を持つ複雑立方、多面体設計。各々をポリプロピレン（PP）とポリエチレン（PE）の2材料系列で製造。

次に、初期設計の属性を融合した3つのハイブリッドプレートラティスを評価：シンプル立方/複雑立方ハイブリッド、シンプル立方/多面体ハイブリッド、全3要素統合の複合ハイブリッド。これらもPPとPEで製造。

全要素統合ハイブリッドが最高の衝撃吸収を示し、特にPP変種が優秀。単位質量あたりの吸収エネルギー（比エネルギー吸収）で評価すると、PPハイブリッドは19.9 J g⁻¹を維持し、同等のアルミニウムベース・マイクロアーキテクチャード・メタマテリアルを上回りました。

グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部・複合材料と付加製造グループリーダーのシャンムガム・クマール博士が研究を主導。プロジェクトには、アブダビのカリファ大学と米国テキサスA&M大学の機械・化学エンジニアも参加。

クマール博士は、「この研究は力学と材料科学の交差点に位置します。ナノエンジニアードフィラメント原料と高度なハイブリッドラティス設計のバランスにより、前例のない剛性、強度、エネルギー吸収性能を達成しました。3Dプリントの進歩により、このような複雑で高多孔性な形状のコスト効率の良い製造が可能になり、産業規模生産が視野に入りました。」

クマール博士は自動車製造を主要ユースケースとして挙げ、車体軽量化の追求において衝突安全性を損なわない材料が求められていると指摘。「アルミニウムが広く使われていますが、我々のプレートラティスは優れた耐衝撃性を発揮し、将来の自動車構造材として有望です。また、関与プラスチックのリサイクル可能性は、ネットゼロと循環型経済へのグローバルシフトと合致します。」

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