より軽く、より安全な車のデザインなどを目的とした新しいフォームの3Dプリント素材

ポリオレフィン樹脂と多層カーボンナノチューブを組み合わせて作られた新しい形の3D印刷された複合材料は、グラスゴー大学のエンジニアが率いる研究チームによって開発されました。これは、同様の形のアルミニウムよりも丈夫で軽いものです。チームは、これが自動車、航空宇宙、再生可能エネルギー、および海洋産業で使用するためのより安全で、より軽く、より耐久性のある構造の開発につながる可能性があると予想しています。新しい論文では、ナノエンジニアリングされた3Dプリントプレート格子の影響挙動 ジャーナル Materials＆Design に掲載されました 、チームは、衝撃に対する印象的な耐性が可能な新しいプレート格子セルラー「メタマテリアル」をどのように開発したかについて説明します。

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メタマテリアルは、自然界では発生しない特性を明らかにするように設計および設計された、人工的に作成された細胞固体のクラスです。プレート格子として知られるメタマテリアルの1つの形式は、プレート間にかなりのスペースがあるにもかかわらず、非常に高い剛性と強度を示すプレートの交差層から作られた立方構造です。プロパティエンジニアが多孔性と呼ぶこれらのスペースは、プレート格子を非常に軽量にします。

研究者たちは、開発したプラスチックとナノチューブの複合材料から製造された新しい形のプレート格子設計が、剛性、強度、靭性というさらに高度な特性を備えたメタマテリアルを作成できるかどうかを調査することに着手しました。彼らは、ナノエンジニアリングされたフィラメントコンポジットを3Dプリンターの原料として使用し、フィラメントを融合させて一連のプレート格子設計を構築しました。次に、これらの設計は、物理的衝撃に耐える能力を判断するために、さまざまな高さから16.7kgの質量を落として、一連の衝撃試験を受けました。

最初に、チームは、設計および構築した3種類の典型的なプレート格子をテストしました。3つのプレートの交差から形成された単純な立方体。追加の交差プレートを備えたより複雑な立方体。そして、より多面的なデザイン。これらの典型的なプレート格子は、2つのバッチで作成されました。1つはポリプロピレン製で、もう1つはポリエチレン製です。

次に、最初の実験でより単純な設計の機能を組み込んだ、さらに3つの「ハイブリッド」プレート格子をテストしました。単純なキューブ/複雑なキューブのハイブリッド。単純なキューブ/マルチファセットハイブリッド。そして、3つすべてを統合したもの。ここでも、PPとPEから作られたバッチが作られました。

3つの典型的なプレート格子デザインすべての要素を統合したハイブリッドデザインは、 mos であることが証明されました。 衝撃を吸収するのに効果的で、PPバージョンは最大の耐衝撃性を示します。科学者が質量に対するエネルギーを吸収する材料の能力を決定するために使用する比エネルギー吸収として知られる尺度を使用して、チームはPPハイブリッドプレート格子が1グラムあたり19.9ジュールに耐えることができることを発見しました。アルミニウムに基づいて設計されたマイクロアーキテクチャのメタマテリアル。

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グラスゴー大学のジェームズワット工学部の複合材料および添加剤製造のリーダーであるシャンムガムクマール博士が研究プロジェクトを主導しました。研究チームには、アブダビのハリファ大学と米国のカレッジステーションにあるテキサスA＆M大学の機械および化学エンジニアも参加しました。

クマールは、次のように述べています。 3D印刷の原料として開発したカーボンナノ構造工学フィラメントと、私たちが作成したハイブリッド複合板格子設計のバランスは、非常にエキサイティングな結果を生み出しました。軽量工学の追求において、高性能を特徴とする超軽量材料の絶え間ない探求があります。当社のナノエンジニアリングハイブリッドプレート格子は、並外れた剛性と強度特性を実現し、アルミニウムで構築された同様の格子よりも優れたエネルギー吸収特性を示します。 3D印刷の進歩により、プレート格子の設計を支える、調整された多孔性を備えた複雑な形状の製造がこれまでになく簡単かつ安価になりました。この種の設計を工業規模で製造することは、現実的な可能性になりつつあります。」

Kumarとチームによると、この新しい種類のプレート格子の重要な用途は、衝突時の安全性を犠牲にすることなく、より軽量なボディを構築するための絶え間ない努力が行われている自動車製造にある可能性があります。 「アルミニウムは多くの現代の自動車設計で使用されていますが、私たちのプレート格子はより優れた耐衝撃性を提供し、将来そのような種類のアプリケーションで役立つ可能性があります...これらのプレート格子で使用しているプラ​​スチックのリサイクル性もサーキュラーエコノミーモデルが地球をより持続可能なものにするための中心となるネットゼロの世界に向かって進むにつれて、それらは魅力的です」とクマールは述べています。