シャコ構造は 3D プリンティング技術で驚異的な靭性を実現

Oct 09, 2023

国際的な研究者チームは、生物からインスピレーションを得た強化特性を持つセラミック複合材料を 3D プリントするために母なる自然に目を向けました。

さまざまな産業用途では靭性が重要な要件であるため、耐損傷特性を備えたセラミック複合材料の需要が高まっています。 これらの材料は化学的安定性と機械的安定性の組み合わせを提供する傾向があり、自動車、航空宇宙、エネルギー システムに至るまであらゆる用途に適しています。

残念ながら、アイステンプレートや凍結鋳造など、今日の従来のセラミック複合材料加工技術の多くは、金型製造の限界により、複雑なカスタム形状の部品を作成することができません。

国際チームは現在、シャコに見られる保護構造をデジタル光処理（DLP）3Dプリンティングと組み合わせて、幾何学的に複雑なセラミック複合部品を作成する方法を研究している。

シャコの何がそんなに特別なのでしょうか？

シャコは、ストマポッドとしても知られ、小さな色とりどりの海洋甲殻類の一種です。 彼らは攻撃的な性質と、指棍棒と呼ばれる特徴的な拳のような付属器官でよく知られています。

内蔵の武器は、カニやカタツムリなどの硬い殻を持つ獲物を粉砕して殺すために使用され、信じられないほどの力で動き、最も防御的な殻さえも突き破ります。 実際、ダクティルクラブは最大 10,000g の加速に達することができ、その衝撃は .22 口径の弾丸の速度に匹敵すると考えられています。

しかし、何がそんなに耐久性を高めているのでしょうか？ Dactyl クラブは、汗をかかずに衝撃を吸収し、有害なせん断波を除去するのに役立つ二重連続構造を備えています。 有機相は昆虫や甲殻類の殻に一般的に見られる化合物であるキチンでできており、無機相は非晶質のリン酸カルシウムと炭酸カルシウムで構成されています。

シャコの獲物にとっては非常に残念なことに、ダブルトラブル構造がクラブを保護する亀裂に強いシールド効果を形成します。

硬度が 116 倍向上

今回の研究で、研究チームは自然選択の成果と、二連続ジルコニア/エポキシ相を含む3Dプリントされた複雑なセラミック複合構造に敬意を表した。

生体模倣プリント構造がどれほど丈夫であるかをテストするために、彼らはこの概念を歯科修復に適用し、75% vol.3 の架橋ブリッジを 3D プリントしました。 ジルコニア。 ブリッジの段階的なセラミック壁の厚さは 0.3 mm から 0.7 mm まで直線的に増加し、部品にかかる圧縮応力を均一に分散する段階的な応力分布を示しています。

一連の圧縮テストで、研究チームは、印刷されたセラミック複合材料の強度が、純粋なセラミックと比較して最大 213% 増加したことを発見しました。 ヤング率は、印刷された部品ではわずかに増加するだけでした。 驚くべきことに、印刷された構造の硬度も最大 116 倍に増加し、同時に従来の技術では製造不可能だったユニークな形状を実現できました。

最終的に、この研究は、シャコの二重連続構造を生体模倣するという点で、大きな期待を示している。 3D プリントされたセラミック複合材料は、優れた靭性と圧縮強度特性を示し、カスタム歯科修復用途に特に役立ちます。

この研究の詳細は、「生体模倣強化設計によるセラミック複合材料の 3D 印刷」というタイトルの論文でご覧いただけます。

これは確かに、生体模倣を中心とした積層造形研究の最初の作品ではありません。 つい最近、米国の研究チームが 3D プリンティング技術を使用して、タコをヒントにした粘着吸盤を作成しました。 バージニア工科大学が率いるこのチームは、物体を検出し、数ミリ秒以内に自動的に接着のスイッチを入れることができる、自然にインスピレーションを得た独自の神経システムを開発しました。 粘着スキンはウェアラブル グローブに統合されており、水中環境で物体を操作する新しい方法を提供します。

チューリッヒ工科大学の研究者らは、蝶の羽からインスピレーションを得て、人工着色されたナノ構造を 3D プリントしました。 熱帯アフリカ原産のシンナンドラ オピス種の翼は、鮮やかな色が特徴です。 ただし、これらの色は顔料ベースではなく構造的なものであり、翼の表面の複雑なナノ構造によって生成されることを意味します。

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アイキャッチ画像はシャコです。 写真提供: ロイ L. コールドウェル、カリフォルニア大学バークレー校。

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。