ポストのないニアネットシェイプ部品の 3D プリント

2023 年 6 月 5 日

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Lynn Shea 著、カーネギーメロン大学機械工学

カーネギーメロン大学のラーフル・パナット教授と彼のチームは、新型の 3D プリント ブレイン コンピューター インターフェイス (BCI) デバイスを開発していました。このデバイスでは、アレイ内のマイクロピラーという予期せぬ問題に遭遇したときに、カスタム マイクロピラーがニューロンからの通信信号を捕捉します。焼成中に曲がってしまいました。 現在「CMU アレイ」と呼ばれているこれらの BCI デバイスは、数百万の金属ナノ粒子を 3D 空間に積み重ねてから、それらを焼結、つまり融合させます。

彼らの実験のタイムラプスフィルムであるかなり劇的なイラストでは、150～300℃までの12時間の焼結プロセス中に、銀色のマイクロピラーが、咲いた花のように高度に調整された方法で開いた。 焼結理論では、温度が変化しても永久歪みは生じないと予測されていたため、この現象はまったく予想外でした。

パナット氏は、カーネギーメロン大学とワシントン州立大学の学際的な研究者チームを率いて、なぜこのような歪みが生じたのかを解明するだけでなく、より重要なことに、それを制御する方法を見つけるという探求を行った。 実際、この研究が制御できれば、「4D プリンティング」の機構として焼結を世界で初めて示すことになる。これは積層造形 (AM) の比較的新しい分野であり、熱、水、熱などのソースを使用して 3D プリントされた物体を別の形状に変換するものである。または他の環境刺激。

研究チームは調査を通じて、永久的な形状変化を引き起こすには大量輸送が必要であることを最終的に証明した。 彼らは、歪みの 2 つの考えられるメカニズムを定義し、歪みとそれを制御するパラメーターを正確に予測する、他に例のない連続体モデルを定式化しました。 彼らの研究結果は、ネイチャー・コミュニケーションズ誌の最新号に掲載される。 機械工学の候補者であり、研究の主任学生です。

「AM を使用してニアネットシェイプ部品を実現するための主な障壁となっていた積層造形における根本的な問題を解決できたことは非常に興味深いことです。このような部品は追加の加工を必要とせず、コストが削減され、エネルギーが節約されます。」とパナット氏は述べています。 「4Dプリンティングを実現する方法として焼結というアイデアは、新たな研究の方向性を開くでしょう。」と付け加えた。 3D プリンティングの歪みを軽減する現在の取り組みは、主に退屈な試行錯誤のアプローチに限定されているため、この問題の解決は積層造形技術の進歩を可能にする重要な要因となる可能性があります。

マイクロピラーを使用した実験は刺激的でしたが、形状の変化を一方向に制限するために、著者らは厚さ 20 μm と 35 μm のマイクロ壁を作成する一連の新しい実験を考案しました。 光学イメージングを使用して、歪み (この場合は曲がり) を正確に測定できます。 マイクロピラーの場合と同様に、焼結が進むにつれてマイクロウォールの曲率は増加し、穏やかな回復を示す前にピーク値に達しました。 熱測定により、微小壁が常に高温側に向かって曲がることが示され、これは示差焼結による物質輸送を示しています。

この研究は積層造形における根本的な問題に対処しており、パナト氏が今後も継続していきたい研究の扉を開くことが期待されている。パナト氏は、歪みの際の物質移動を観察するためのオペランド顕微鏡法、さまざまな構成で4Dプリンティングを実現するための温度制御、形状変化を予測するモデルの開発などの研究を続けたいと考えている。航空宇宙構造などの産業用の大型部品で予想される複雑な形状に対応します。

詳しくは： Sandra M. Ritchie et al、「焼結における形状歪みは、長距離物質輸送を活性化する不均一な温度から生じる」、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-38142-z

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

カーネギーメロン大学機械工学部提供