ポリマー指向性エネルギー堆積 (DED) 3D プリントの利点は何ですか?

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

はじめに: 過去 10 年間、積層造形は製造業界で最も急速に成長している分野の 1 つとなっています。この成長は、材料と機器の開発の急速な進歩によって推進されています。しかし、デザインツールは同じペースで進化していません。これはテクノロジーの多様性に関係しており、ほぼ毎月新しいバリエーションが登場しています。このため、これらのツールの大手メーカーが市場をカバーすること、あるいは部分的にカバーすることさえ困難になっています。さらに、材料とプロセス設定の複雑な相互作用、および AM 部品の異方性材料挙動には、より等方性の材料特性を生成するプロセスよりもはるかに大規模なテストプログラムが必要です。その結果、テストの標準化と高精度データセットの取得の進歩は遅く、費用もかかっています。

金属 AM 部品は構造用途でますます使用されるようになっていますが、この目的に十分な耐久性を備えたプラスチック AM 部品とプロセスはほとんどありません。そのため、これまでは金属とポリマーの粉末床の融合プロセスに重点が置かれてきました。さらに、3D プリンターと必要な材料のコストが低いため、多くの研究グループが材料押し出し (ME) プロセスに取り組んでいます。ただし、従来の大量生産技術に比べて部品の性能が低下するため、最終用途のアプリケーションには適していません。ほとんどのデータは比較不可能であったり、大きな相違が見られたりするため、シミュレーション作業はゆっくりと進み、実験データで検証できないこともよくあります。

その結果、信頼度は低いままであり、テクノロジーの適応は遅くなります。カリフォルニア州シリコンバレーに拠点を置くAREVOは、最終用途向けに超強力で軽量な複合部品を大量に直接デジタル製造できる技術を開発しました。最近、同社の研究者らはこれらの課題を克服するための新たなアプローチを開発しました。これは、指向性エネルギー沈着 (DED) のカテゴリに分類されます。

DED は、粉末またはワイヤの形の金属原料がレーザーまたは電子ビームの経路に供給され、材料が堆積される際に溶融するという事実で最もよく知られています。ワイヤ処理は合格率が高いですが、すべての金属処理と同様に、制御された環境、この場合はシールドガスが必要です。

AREVO 社が開発したポリマー DED は、炭素繊維「フィラメント」または熱可塑性ポリマーマトリックスを含浸させたフィラメントを使用しますが、制御された環境は必要ありません。 50% を超える炭素繊維の体積含有量を処理でき、高度なモデリング機能とソフトウェア機能を備えています。これらの複合材料の機械的特性に関する包括的な研究により、シミュレーションに貴重な入力と検証が提供され、ソフトウェアを使用して堅牢な構造設計と最適化が実行されました。

DED の価値提案をより深く理解するには、他のプロセスと比較する必要があります。複合材料の製造においては、オートクレーブでの硬化が標準です。これは、ボイド、樹脂の多い領域、不十分な圧縮、硬化度（熱硬化性材料のみ）など、材料と処理からのすべての欠陥を排除する唯一のプロセスです。これらすべての問題は、コンポーネントの機械的特性に悪影響を及ぼす可能性があります。その結果、オートクレーブ処理された部品は、他の製造方法で製造された部品と比較して、最高の強度と剛性を備えています。資本投資の削減、製造の柔軟性の向上、部品のスケールアップ、消耗品およびツールのコストの削減、およびチップ関連の問題 (コアの破砕および安定性の問題) の必要性により、部品の性能が許す限り、オートクレーブ外 (OOA) プロセスがますます多く使用されています。経験則として、OoA 処理では通常、オートクレーブ処理の 50 ～ 70% のパフォーマンスが達成されます。

既存の複合材料製造技術の中で、熱可塑性プラスチックと連続繊維強化材を同時に使用するものはほとんどありません。熱硬化性樹脂を使用する場合、通常、反転、フィラメントワインディング、編組、バルーン成形または AFP などの予備成形とその後の注入および硬化の 2 段階のプロセスが必要です。 RTM、ウェットプレス、プルトルージョンなど、成形、射出、硬化が同時に行われる場合、形状は非常に限られており、必ず両面金型が必要になります。注入時間と硬化時間は依然として時間制限要因であり、速すぎると空隙や不十分な圧縮が生じるリスクがあります。

連続繊維で<br /> 熱可塑性複合材の製造プロセスは次のとおりです。
テーラードファイバープレースメント (TFP) は、上部ステッチラインと下部ステッチラインを使用して、CF ロービングなどの補強材を所定のパターンで基板に固定するスプライシングまたはステッチテクノロジです。強化繊維とマトリックス繊維を含むハイブリッドまたは混合糸を一緒に配置し、プリフォームを作成すると、圧縮成形プロセスを使用して部品を統合できます。これにより、TFP は、金型を必要とする熱硬化プロセスと同様に、2 段階のプロセスになります。

ガラス繊維熱可塑性複合材 (GMT) は、圧縮成形中に熱可塑性マトリックス (主にポリプロピレン) に予め含浸させた連続ランダム繊維強化材を使用して、工業規模でシンプルでありながら大型の部品を製造します。ランダムな繊維配向により、部品の特性がより一定になります。

自動繊維配置 (AFP) は、熱と圧縮を利用して、事前に含浸させた繊維を複雑なツール上にドラッグして配置するプロセスです。この技術は主に熱硬化性プリプレグに使用され、その後オートクレーブ硬化が必要になりますが、熱可塑性トウでもその場での固化を実現できます。一般的に非常に柔軟ですが、繊維配向を調整した複雑な湾曲積層構造に最適です。ファイバーの大きな面内回転半径に制限されており、Z 方向への配置は許可されません。

DED では、高性能に必要な 50 vol% 以下の炭素繊維を含む複合材料の印刷が可能になり、他の複合材料製造プロセスと同様に部品の大幅な軽量化を実現できます。さらに、加熱機構としてレーザーを使用することで、優れたインターフェース強度と印刷速度が得られ、図 1 に示すように、この技術はプロトタイプ作成から製造まで進化します。

図 1. 連続繊維強化熱可塑性フィラメントをレーザー熱源で溶かし、ローラーで圧縮して 3 次元オブジェクトを生成する DED 3D 印刷技術の概略図。
以下の図は、DED プロセスと、前述の連続繊維複合材製造プロセスおよび付加製造プロセスを比較したものです。

図 2. スクラップ率のプロセス比較 (FDM = 熱溶解積層法、SLA = ステレオリソグラフィー、PBF = 粉末床溶融結合法、BJ = バインダージェッティング、SL = シートレイアップ、MJ = マテリアルジェッティング)。
図 3. スクラップ率のプロセス比較。
図 4. 製造プロセス中に必要な消耗品とサポート構造の数のプロセス比較。
DED プロセスは、AM と自動化された複合材製造プロセスの多くの利点を兼ね備えています。
1. 熱可塑性マトリックスの原位置固化により、熱硬化性樹脂のサイクルタイムと製造工程が短縮されます。
2. AFEA とロボット製造セルを使用した迅速かつ自動化された生産。
3. 需要に応じた生産
4. AFEA を使用して、2 次元層の準等方性スタッキングを置き換え、ファイバーパスを最適化します。
5. 空隙率が低い（<1％）
6. 幾何学的に複雑な形状の正確な配置。
7. プロセスの再現性
8. ニアネットシェイプ形状により、スクラップが 5 ～ 10% 未満に削減されます。
9. 部品サイズはほぼ無制限です。
10. True3D は、面内および面外の連続繊維パスを利用します。
11. 半径20mmまでの平面旋削。
12. 2〜3 mmの薄い一方向壁。
13. 壁の厚さの違い
14. 双曲面、ジョイント（T ジョイントや Y ジョイントなど）、中空チューブなどの複雑な形状を印刷します。
15. ファイバーの剛性がブリッジングに十分である限り（120 mm 以下）、中空チューブはサポート構造なしで印刷できます。

さらに、SAMPE カンファレンスで最近発表された論文では、従来の化合物予測ツールがこの DED プロセスに適用できることが示されました。これにより、設計者は、コンポーネントの耐用期間中に発生するさまざまな複雑な負荷ケースの包括的なデータセットと構造解析に基づいて、新しい複合設計を作成できます。たとえば、これらの新しい機能から生まれた最初の構造部品の 1 つは、電動駆動の有無にかかわらず、ポータブルな 3D プリント自転車フレームです。しかし、自転車はまだ始まりに過ぎず、近い将来、航空宇宙、輸送、建設などのさまざまな製造分野で、幅広い新しいデザイン、形状、部品が期待できます。（文／アレボ研究開発担当副社長ナタリー・ルドルフ博士）

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