科学者は純度97%の複雑なグラファイト部品の3Dプリントに成功

テキサス州ライス大学の研究者チームは、直接インク書き込み (DIW) 3D プリンティングを使用して複雑なグラファイト構造を製造する新しい方法を開発しました。

グラファイトを使用した 3D プリントのこれまでの試みでは、通常、粉末状の材料をポリマー マトリックスに統合することが必要でした。 押出ベースの技術を使用すると、機械的に健全な構造を作成することが可能になりますが、得られる複合材料のグラファイト含有量は重量の 50% 未満であることがよくあります。 そのため、これまで 3D プリントされたグラファイト部品は、純粋なグラファイトを望ましいものにする熱的および電気的特性を実際には提供していませんでした。

この問題に取り組むために、ライスの研究者らは、グラファイト粉末と微量の粘土で作られたコロイド状の 3D 印刷可能なインクを開発し、最大 97% の純度の複雑な DIW 部品を実現しました。

グラファイト: 極限の鉱物

グラファイトは炭素の最も有用な同素体の 1 つとみなされており、多くの産業用途があります (はい、単なる鉛筆の芯ではありません)。

層状の 2D 原子構造を備えたこの材料は、いくつかの高性能潤滑剤の重要な成分です。 グラファイトは優れた熱的および化学的安定性も備えているため、溶融金属るつぼや原子炉の炉心に必要とされる極端な環境条件に耐えることができます。 さらに、この材料は電気伝導率が高いことで知られているため、電池、電気接点、さらにはフレキシブルエレクトロニクスに最適な候補となっています。

残念ながら、高温処理と材料固有の脆さという課題のため、従来の合成方法を使用してグラファイト製の複雑な幾何学的部品を作成することは非常に困難であることが多く、この問題は 3D プリンティングによって解決されます。

97% グラファイトパーツを 3D プリントする方法

高濃度グラファイト インクは、グラファイト フレークを満たした水浴に少量のケイ酸塩ナノクレイ (3 ～ 10 wt%) を加えることによって配合されました。 ナノクレイは最終的に結合剤として機能し、得られた複合インク中にグラファイトフレークが確実に均一に分散されるようにしました。 粘土の添加により材料の粘度も大幅に増加し、室温で DIW による押出が可能になりました。 対照的に、グラファイトのみのインクは、圧力下でインクが分離しながら 3D プリンターのノズルを詰まらせることが判明しました。

3D プリントすると、ナノクレイ添加剤の効果が最終的な 3D 構造に非常にはっきりと現れました。 研究で印刷されたテストオブジェクトはすべて、幾何学的に複雑であるにもかかわらず、優れた構造安定性を示し、まったく問題なく自重を支えることができました。 空気乾燥後でも、パーツはグラファイトのみのインクと比較してエネルギー吸収能力が向上し、元の形状を維持することができました。

ライスチームはすでに、その新しい純度 97% の配合物をいくつかのグラファイト用途に使用しています。 これには、錫を鋳造するために使用される 3D プリントされた金型、LED を点灯するために使用されるグラファイト電気回路、水を沸点に上げることができる 3D プリントされた発熱体が含まれます。

研究のさらなる詳細は、「複雑なグラファイト構造の三次元印刷」というタイトルの論文に記載されています。 これは、Seyed Mohammad Sajadi、Shayan Enayat らの共著です。

グラファイトとその単層形状であるグラフェンは、3D プリンティング分野の内外で多くの研究のテーマとなっています。 バッファロー大学の研究者らは最近、大規模な廃水処理が可能な新しい 3D プリント浄水グラフェン エアロゲルを開発しました。 発泡スチロール状のエアロゲル、格子状グラフェン、および 2 つの生物由来のポリマーで構成されるこの新しい材料は、飲料水から染料、金属、有機溶剤を 100% の効率で除去できます。

また、FAMU-FSU 工学部では、科学者らが最適化された導電性を備えたグラフェンベースの構造を 3D プリントするためのパラメーター セットを開発しました。 一連のテスト実行後、チームは、印刷圧力やノズル直径などの要因が複合材料の特性に影響を与えるものの、特定の印刷速度では粒子を指定された方法で整列させることができることを発見しました。

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注目の画像は、直接インク書き込みによって 3D プリントされたグラファイト構造を示しています。 画像はライス大学経由。

Kubi Sertoglu は機械工学の学位を取得しており、執筆への親近性と技術的背景を組み合わせて積層造形の最新ニュースやレビューを提供しています。