ホットプレス後の連続炭素繊維強化熱可塑性材料の3Dプリント

ホットプレス後の連続炭素繊維強化熱可塑性材料の3Dプリント
寄稿者: Shan Cunqing、Wang Ling

従来の熱溶解積層法(FDM)プロセスは複雑な構造部品の製造において本質的に利点がありますが、この技術を使用して製造された部品には、強度不足や耐熱性が低いなどの問題が依然として残っています。製品の強度を向上させるには、軽量かつ高強度の繊維強化材料を使用することが非常に効果的な方法です。一部の研究者は、チョップドファイバーを樹脂材料に混ぜて、FDM に使用できる繊維強化ワイヤーに加工しました。このタイプのチョップドファイバー強化ワイヤーは、複雑な幾何学的部品を形成するための一般的な FDM プロセスの利点を継承していますが、製品の強度を高める効果はあまり明らかではなく、期待される高強度の要件を満たすことができません。連続繊維強化材料は、短繊維強化材料と比較して、製品の強度を大幅に向上させることができますが、繊維の連続性の制限により、この成形方法では複雑な構造部品を成形する能力が不足しています。

上記の連続繊維強化成形問題を解決するために、日本の五島工業大学の研究者 MY と YK は、新しい押し出しノズルを設計・製造しました (図 1 を参照)。


図 1 MY と YK が設計したノズルは、連続炭素繊維強化熱可塑性フィラメントと追加樹脂フィラメントの供給をそれぞれ制御する 2 つの供給装置を採用している点で、一般的な連続繊維強化装置とは異なります。使用した連続繊維強化熱可塑性フィラメントは、PA6で巻かれた炭素繊維で作られた直径0.3mmのフィラメントで、炭素繊維の体積含有率Vfは50%に制御され、追加の樹脂材料はナイロン645でした。このノズルを使用して印刷された単層の断面を図2に示します。単層の下部は連続繊維強化熱可塑性材料であり、上部は追加の樹脂材料です。図から、追加の樹脂材料が繊維強化材料の溝をうまく補い、印刷プロセス中の気孔の発生を減らすことができることがわかります。


図2 印刷部品の単層断面 さらに、MYとYKは独自に開発した装置を使用して引張試験片を作製し、機械的引張試験を実施しました。試験結果によると、試験片の弾性率Eは53Gpa、ポアソン比γ0.39、引張強度σbは701Mpaに達しました。

MYとYKの観察に基づいて、彼らは、成形部品の印刷された単層に内部気孔が存在すると、製品の機械的特性に非常に大きな影響があると推測しました。この仮定に基づいて、材料の特性に基づいて適切な熱処理プロセスを決定し、サンプルに熱処理とホットプレスを施して内部気孔を除去しました。結果は、熱処理によってサンプルの引張特性が大幅に改善されなかった(20%)が、ホットプレス処理後のサンプルの弾性率と引張強度は未処理のサンプルと比較して 2 倍になったことを示しています。研究者たちは、ホットプレスによって単層の気孔が除去され、製品の機械的特性が大幅に向上すると考えています。

表1 異なる熱処理プロセスの機械的特性の比較 参考文献:
山脇 正之, 河野 勇治 (2018). 3次元印刷とホットプレス成形によるプリフォームを用いた連続炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの製造と機械的特性評価。Advanced Composite Materials, 27(2), 209-219. doi: 10.1080/09243046.2017.1368840

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