高性能連続繊維強化複合材3Dプリント装置およびプロセス

出典：西安交通大学青島研究所

プロジェクト紹介 このプロジェクトは、連続繊維強化熱可塑性ポリマーベースの高性能複合部品の直接3Dプリントを目的としています。連続繊維と熱可塑性ポリマーを原料とし、複合注入溶融堆積3Dプリントプロセスを利用して、高性能な複雑構造複合部品の低コストの統合型迅速製造を実現します。オートクレーブ成形技術、トランスファーモデル（RTM）成形技術、ワインディング成形技術、自動配置技術などの既存の複合製造技術と比較して、複合3Dプリント技術の主な利点は、低コストと短いサイクルであり、複雑な構造の複合材料部品の迅速な製造を実現できます。

テクニカル指標
1. デスクトップ連続繊維強化複合材 3D プリンター チームは独自にデスクトップ連続繊維強化複合材3Dプリンターを開発しました。製造されたCf/PLA複合材料の曲げ強度は390MPaに達し、従来のPLA部品（48-53MPa）の7倍です。性能はアルミニウム合金と同等で、重量は5分の2に軽減されました。

2. 大型・高速・高安定性連続繊維複合材3Dプリンター チームは、デュアルノズル印刷モードを採用した高速印刷ノズルシステムを独自に開発しました。1つのノズルは繊維乾燥フィラメントの複合印刷に使用され、もう1つのノズルはサポートなどの補助材料の印刷に使用されます。また、連続繊維のオンライン切断と連続印刷の機能も備えており、高性能複合材料の複雑な部品の統合的かつ迅速な製造を実現し、大型部品の産業分野の応用ニーズを満たし、航空宇宙、自動車、輸送分野に適しています。

3. 複合軽量構造物の統合製造技術 連続繊維強化複合軽量構造は、航空宇宙、高速鉄道、船舶などの分野で広く使用されていますが、従来の一体成形製造プロセスでは成形サイクルが長く、コストが高いため、複合軽量構造の応用が制限されています。研究チームは、連続繊維強化複合軽量構造に基づく統合製造プロセスを提案しました。製造された連続アラミド繊維強化PLA複合軽量構造は、繊維含有量が11％に達すると17MPaの圧縮抵抗を持ち、従来の方法で製造された波形軽量構造よりも優れています。

4. 高効率電磁波シールド複合材料の制御製造技術 電磁波汚染が深刻化するにつれ、高性能の電磁波シールド複合材料がますます注目を集めています。連続繊維強化複合3Dプリントプロセスは、電磁波シールド材料の制御可能な製造を実現します。製造された材料の電磁波シールド効果、曲げ強度、引張強度はそれぞれ75.6dB、105MPa、125MPaに達し、シールド効果は8〜75.6dBの範囲で調整可能です。その優れた電磁波シールド性能、機械的特性、加工性能、および低い加工コストにより、航空システムや衛星アンテナの分野で優れた応用見通しを示しています。

5. チョップドカーボン繊維強化複合部品の選択的レーザー焼結 選択的レーザー焼結法では、CO2レーザーを熱源として使用し、強化繊維とポリマーの複合粉末を原料として使用して、繊維強化エンジニアリングプラスチック複合材料の3Dプリントを完了します。現在、選択的レーザー焼結技術は、炭素繊維強化ナイロン複合材料と炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン複合材料の製造に使用できます。純粋な樹脂部品と比較して、複合材料は機械的強度、耐熱性、部品精度が高くなります。航空宇宙、自動車、消費財などの業界で、形状や重量の最適化が求められる部品や耐荷重構造部品の端末製造、小中ロットの急速製造に適しています。特に、複雑な構造機能部品の製造に適しています。

市場の見通しと応用 この技術は中国初の技術であり、多数の自主知的財産権を取得しており、国内外のますます多くの機関の注目を集めています。中国では、このプロジェクトは国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、有人宇宙飛行などのプロジェクトから支援を受け、プロセスのメカニズムと装置の研究を行い、このプロセスの航空宇宙分野への応用の見通しを探りました。国外では、ドイツ、ロシアなどの研究機関と協力して、このプロセスの材料と構造設計の研究を行っており、研究レベルは国内外でトップクラスです。

現在、急速に発展している世界の3Dプリント分野において、複合材料3Dプリントは大きな発展の見込みがあります。SmarTechの予測によると、2026年までに、3Dプリントに使用される複合材料の世界的収益は5億ドルを超えるでしょう。今後10年間で、複合材料は3Dプリントにとって最も重要な市場機会になるでしょう。現在、この技術は成熟した産業設備を開発し、成熟した設備-材料-プロセスシステムを形成しています。商業化の条件を備えており、最初は軽量複合構造に適用されています。技術が成熟するにつれて、将来的には航空宇宙、自動車輸送、さらには民間分野でも広く使用されることは間違いありません。

プロジェクトエキスパート [Tian Xiaoyong] (機械工学部)

【研究分野】
1) メタマテリアルと構造エレクトロニクスに基づく新しいマイクロ波デバイスなど、機能的かつ構造的に統合された革新的な設計と 3D プリンティング。

2) マルチマテリアル・複合3Dプリンティング（積層造形）技術とその応用に関する研究。

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