3D プリント構造に高い強度を付与する新しいポリマー (Polymer discovery gives 3D-printed sand super strength)


2021-11-12 アメリカ合衆国・オークリッジ国立研究所(ORNL)

3D プリント構造に高い強度を付与する新しいポリマー (Polymer discovery gives 3D-printed sand super strength)

・ ORNL が、バインダージェット式積層造形(BJAM)での硅砂を使用した造形構造を強化する、ポリエチレンイミン(PEI)結合剤を開発。
・ インクジェットプリンティングから派生した BJAM は、産業利用されている他の 3D プリンティング方式に比べ安価で造形速度が速く、多様な粉末材料による 3D パーツの作製が可能なためコストとスケーラビリティーに優れている。
・ BJAM プロセスでは、プリンターヘッドから液体のポリマー結合剤を噴射して粉末材料を結合させながら 1 層ずつ 3D パーツを積層造形する。新 PEI 結合剤は、3D パーツに従来の結合剤の 2 倍の強度を付与する。
・ また、同 PEI 結合剤は、プリントベッドから取り外したばかりの微細孔を多く含む 3D パーツに浸透させる接着剤のシアノアクリレートに反応して結合し、3D パーツの強度を 8 倍向上させ、石造を含むあらゆる建築材料の強度を超えるポリマー・硅砂による複合材料を提供する。
・ 新 PEI 結合剤を使用して 3D プリント作製した 6.5cm の長さの支柱では、自重の 300 倍の重量物(ブルックリン橋上にエンパイア・ステート・ビル 12 棟分)を支えられることを実証。
・ 高強度硅砂のアプリケーションの一つは、複合材製造用の鋳型の作製。商業技術での熱や圧力の利用によりパーツの破損等が起こるため、現行の砂鋳型やコアの産業利用が制限されている。
・ 硅砂は、複合部品の作製で自動車・航空宇宙産業の関心を集めている安価で入手し易く、加熱によるサイズ変化がなく洗浄可能な、鋳型製造に有用な材料。可溶性の結合剤を利用して作製した砂鋳型では、水道水による洗浄工程で砂を除去できる。
・ 新 PEI 結合剤は 2019 年の R&D 100 アワードを受賞し、産業パートナーの ExOne がライセンスを供与している。本研究は、米国エネルギー省(DOE) エネルギー効率・再生可能エネルギー局(EERE)および科学局が資金と支援を提供した。
URL: https://www.ornl.gov/news/polymer-discovery-gives-3d-printed-sand-super-strength



Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled by polyethyleneimine binder
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0


Binder Jet Additive Manufacturing (BJAM) is a versatile AM technique that can form parts from a variety of powdered materials including metals, ceramics, and polymers. BJAM utilizes inkjet printing to selectively bind these powder particles together to form complex geometries. Adoption of BJAM has been limited due to its inability to form strong green parts using conventional binders. We report the discovery of a versatile polyethyleneimine (PEI) binder for silica sand that doubled the flexural strength of parts to 6.28 MPa compared with that of the conventional binder, making it stronger than unreinforced concrete (~4.5 MPa) in flexural loading. Furthermore, we demonstrate that PEI in the printed parts can be reacted with ethyl cyanoacrylate through a secondary infiltration, resulting in an increase in flexural strength to 52.7 MPa. The strong printed parts coupled with the ability for sacrificial washout presents potential to revolutionize AM in various applications including construction and tooling.