レーザーがセメントの有効利用への道を開く

Sep 02, 2023

アダム・ハダジー著

2023 年 6 月 5 日

プリンストン大学のエンジニアは、3D プリント セメントの大きな欠点である材料の耐破壊性を正確に評価するためにレーザーを導入しています。 研究者らは、この分野の進歩により、セメントベースの構造物における積層造形の幅広い利用につながる可能性があると期待している。 長期的な目標は、革新的なデザインと機能につながる付加技術を使用して、より優れた材料を開発することです。

セメントは、建物、道路、滑走路、橋、ダムなど、現代の建築物の多くを構成するコンクリートの主成分です。 近年、3D プリンティングの効率性と汎用性の利点が証明されているため、この技術を建設に適用することへの関心が高まっています。

しかし、従来の鋳造コンクリートと比較すると、3D プリントされた代替品は、特にコンクリートの異なる層の間の領域で亀裂が発生しやすい可能性があります。 研究者らは、これは 3D プリンティングで使用される積層プロセスによって導入された不均一な微細構造によるものであると考えています。 プリンストンの研究者は、この亀裂を顕微鏡レベルでよりよく理解するために新しいテストを使用しました。 彼らの発見は、破壊特性を適切に特徴付けることによって、3D プリントされたコンクリートが鋳造コンクリートと同等かそれ以上の強度を持つ可能性があることを示唆しています。

Cement and Concrete Composites 誌に掲載された研究で、プリンストン大学の研究者らは、レーザーを使用して 3D プリントされたセメントの正確な位置にある溝を切断する新しい試験方法を実証しています。 レーザーの出力と速度を制御することで、研究者は溝の深さや形状などの重要な特徴を制御できます。 この制御により、従来の方法よりもはるかに正確なテストが可能になります。

「さまざまな破壊モード下での 3D プリントされたセメントベースの材料の破壊特性をより完全に理解できるようになりました。これは、最終的にこの技術をスケールアップするために重要です」と土木学部助教授の Reza Moini 氏は述べています。プリンストン大学で環境工学の博士号を取得し、この研究の上級著者でもあります。 「材料構造の設計と付加技術による製造の自由を活用することで、より強くて丈夫な材料を作る新たな機会が生まれます。」

この研究の他のプリンストン著者は、全員モイニ研究室のメンバーであるシャシャンク・グプタ氏とアルジュン・プリハール氏で、どちらも博士号を持っている。 学生たち、そして元准研究員のハディ・エスマエーリ氏。

型枠に流し込んで硬化させる鋳造コンクリートとは異なり、3D プリント コンクリートには、セメント ペーストを一度に 1 本ずつ押し出すノズルが含まれます。 ノズルが前後に動き、コンクリートをストランドごとに、最終的には層ごとに構築します。

課題の 1 つは、押出成形中に、流れを促進するために印刷された各ストランドの周囲に水分を多く含む薄いフィルムが形成される傾向があることです。 これらの水分を多く含むフィルムは、3D プリント材料のストランド間の重大な内部欠陥や不均一性を引き起こし、構造的脆弱性の一因となる可能性があります。

プリンストンの研究者らは、破壊特性との関係を理解するために、これらの界面をより詳細に調査しました。 研究チームは当初、セメントペーストを押し出すカスタマイズされた3Dプリンターを使用して、テスト用のサンプルを製造および硬化させた。 従来の試験では、通常、丸鋸を使用して材料に切り込みを入れる必要があります。 ただし、微細構造を研究する場合、これらの鋸は鈍い道具として機能し、しばしば鋭くないノッチを引き起こす可能性があります。 これにより、テストが困難になり、不正確になる可能性があります。

ノコギリなどの物理的なツールを使用して切り込みを入れる代わりに、モイニ氏らは研究室用レーザーを使用することを選択しました。 彼らのアプローチは、たとえば印刷層間の境界面など、必要な場所にテスト用ノッチをカットします。

「脆い3Dプリント材料に対するこの試験の利点は、同じサンプル形状を使用して、張力、せん断、またはその2つの組み合わせによる亀裂に対する耐性を把握できることです」とモイニ氏は述べた。

この論文の筆頭著者であるシャシャンク・グプタ氏は、「研究者が産業界と協力して構造用途および非構造用途のコンクリート積層造形プロセスをスケールアップしているため、このアプローチは材料特性を知るのに役立つ可能性がある」と強調した。

モイニの研究室の大学院生は、これらの目的をさらに推進し、設計された材料と破壊特性を研究しています。 最近では、4月にサンフランシスコで開催されたアメリカコンクリート協会の春季大会で、論文の共著者であるアルジュン・プリハール氏がポスター賞の3位を受賞し、大学院生のクリスタル・デルノーチェ氏が1位を獲得した。 プリハール氏の研究は、実験とシミュレーションを使用して、正弦波状に設計されたコンクリート材料の破壊力学を理解することに重点を置いています。 Delnoce 氏の研究は、ツールパス内にノッチを開発することで、3D プリント材料に新しい破壊試験方法を適用することに重点を置いています。

「私たちの研究は、3D プリントされたコンクリートの破壊挙動に関する基本的な疑問の解決に役立っています」とモイニ氏は述べています。

論文「異種 3D プリント層状セメント質材料の破壊および輸送解析」が、ジャーナル Cement and Concrete Composites に掲載されました。 プリンストン大学所属の著者に加えて、オレゴン州立大学のリタ・ガントゥス氏とジェイソン・ワイス氏もこの研究に貢献した。 この研究は、米国科学財団のエンジニアリング土木インフラストラクチャ プログラムによって部分的に支援されました。