オランダが連続繊維複合材3Dプリント技術を開発

著者: 劉亜偉航空産業開発センター

南極熊の紹介 - 大規模生産と小ロットの複雑で精密な製品製造を追求するアプリケーションにとって、連続繊維複合材3Dプリント技術は明るい展望をもたらすことができます。このため、近年、大学の研究機関、大手製造企業、小規模な新興企業、成熟した複合材企業は、連続繊維複合材3Dプリントを実現するために絶えず新しい技術と製品を導入しており、エアバスキャピタルもこれに投資しています。この記事で紹介されているオランダの技術は一見の価値があります。この技術は、完全に自動化された製造プロセスと高度な温度監視システムを備え、連続添加繊維、細断添加繊維、非強化ポリマー粒子を 1 つの印刷プロセスで同時に使用できます。

Composites World 誌は 5 月に、連続繊維強化複合材料の 3D プリントが拡大し、発展していると述べた記事を掲載しました。 Markforged が 2014 年に Mark One 連続ファイバー 3D プリンターを発表して以来、数多くの新しい企業や開発が登場しました。オランダの企業 CEAD は、独自の連続繊維複合材 3D 印刷技術を開発しました。

1. 連続繊維の有無にかかわらず1回の印刷
CEAD は、Lucas Janssen と Logtenberg によって設立されました。「当社はこれまで業界向けにさまざまな 3D プリンターを製造してきましたが、市場を調査した結果、実際の産業用途に適した大規模な材料印刷が不足していると感じました」と Logtenberg 氏は語ります。「熱可塑性プラスチックだけでは実現できない強度が必要です。そこで、独自の特許技術を開発しました。」

「短繊維を使用した印刷と繊維を使用しない印刷の両方が必要です。」そのため、CEAD の連続繊維積層造形 (CFAM) テクノロジーでは、連続繊維を使用した印刷と、同じプロセスでの非強化粒子または短繊維強化粒子の直接押し出しが可能になります。「プリントヘッドを交換する必要はありません。連続繊維を溶融物の真ん中に置くので、両方が同時に押し出されます。ただし、それらは異なる駆動システムを使用しています。連続繊維はプリントヘッドを通して押し出されますが、品質を確保するために事前に含浸されています。」

ログテンバーグ氏は、射出成形およびオーバーモールディングコンパウンドと圧縮成形された直接長繊維熱可塑性樹脂（DLFT）コンパウンドが標準となり、ペレット/粒状材料の直接押し出しが工業生産において安価になったと述べた。「これらの材料はプレプリントの前に乾燥させる必要があり、当社はCFAMマシンに接続された独自の乾燥機を開発しました。」

オーバーモールド熱可塑性複合材と同様に、各印刷では、事前含浸された連続フィラメントと非強化または短繊維強化直接押し出し材料の両方に同じポリマーが使用されます。同社はすでに、ABS、PC、PEEK、PET、PLA、PPなど、幅広いポリマーを加工しています。彼らはPEKKと低融点PAEKを研究しています。

2. 加熱ゾーン、ガントリー、ロボット<br /> 現在、CEAD は、4 つの加熱ゾーンを備えたロボット式押出機と、4 x 2 x 1.5 メートルの造形体積と押出機内に 10 個の加熱ゾーンを備えたガントリーベースの CFAM Prime マシンを提供しています。「私たちは2017年に開発を開始し、プリントヘッドは射出成形で一般的に使用される単軸スクリュー押出機をベースにしています。大量の材料を押し出すのに必要な大きな圧力（50～60バール）をかけられるように、材料のさまざまな部分を徐々に加熱する必要があります。ペレットはバレルに移され、そこで溶融してから圧縮されて押し出されます。加熱が速すぎると、押出機に圧力がかかりません。」

なぜ押出機/プリントヘッドを別々に販売するのですか? 「顧客は、独自の工作機械を製作するための小型ロボット押出機も求めていましたが、連続繊維ではなく、直接押出のみを希望していました」とログテンバーグ氏は語った。では、なぜ CFAM Prime のガントリーが選ばれたのだろうか?精度とスピードのためです。「ロボットは相対的な精度を提供するのに非常に優れていますが、A 地点から B 地点まで移動する方法は不正確です。3D プリントでは、高品質の完成部品を作成するには、正確かつ継続的に移動する必要があります。」

「もう一つの問題はスピードだ」と彼は続けた。「工業生産では高いスループットだけでなく、高解像度も必要です。当社の押出機を使用したロボットアームは毎分 4 メートルで移動できます。これはロボットとしては非常に高速ですが、ガントリーマシンは毎分 60 メートルで移動できます。

ガントリーは速度を提供しますが、ロボットアームの押し出し機は依然として多軸印刷を提供します。「当社は、Z 方向 (スライス印刷に典型的) の現在のパフォーマンス課題を克服するために、多軸印刷を使用することに関心があります。当社は最初にガントリーシステムを開発しましたが、現在、シーメンスはロボットアームで同じ制御を提供する新しい制御システムを導入しています。そのため、当社は 5 軸マシンを開発しています。ガントリーシステムはまだ高速ですが、この新しいシステムは真の多軸配置を提供します。」同社は、2 つのシステムを組み合わせて、5 軸 CNC フライス盤の構成に似たマシンを開発することを構想しています。

3. 冷却と制御
3D プリントにおける問題の 1 つは、プラスチックマトリックスの収縮を制御することです。 CFAM Prime は当初、サーマルカメラからの入力を管理するために赤外線 (IR) 加熱を使用していましたが、Logtenberg 氏は、複雑な形状を印刷するときにシステムが不均一な加熱を生成する可能性があることを認めました。「当社は依然として密閉されたプリントチャンバーを使用しており、現在は加熱プリントベッドを開発中です。これにより、より均一な熱が供給され、システムの監視と管理には引き続きサーマルカメラを使用します。6 か月の間隔を置いて同じ部品を 2 回印刷すると、プリントチャンバー内の温度プロファイルと状態は同じになります。」

Logtenberg 氏は、CFAM Prime が大量の材料を押し出し、大量のエネルギーを含んでいると指摘しています。「そのため、印刷を安定させるのに十分な速さで冷却するのは難しいのです。印刷中に安定した状態を保つために、印刷された層を冷却する必要があります。」この冷却はどのようにして実現されるのでしょうか? 「強制空気、大量の空気を使用してください。」彼は、プリントベッドと密閉されたプリントチャンバーに熱を加えることは、反りを制御する一環であると指摘しています。「熱い層を冷たい層の上に置きます。しかし、材料を Tg より高い温度に保つのが最善です。材料によっては 150°C を超えることもあります。そうしないと、その上に印刷しても安定しません。」このプロセスでも、部品には常に熱応力が生じると Logtenberg 氏は指摘します。「後処理をいくつか行うことで、ストレスをいくらか軽減することができます。」

CEAD は工作機械の制御にシーメンスのシステムを使用しています。「プロセスと材料に関する複雑な課題に対処することができます」と Logtenberg 氏は説明します。CEAD は、シンプルなユーザーインターフェイスを提供するために、Siemens システムで独自のソフトウェアを作成しました。同氏は、「このマシンは、工業用フライス盤でも使用されている標準である G コードで動作し、部品のプログラミングに自由度をもたらします。オープンソースのスライサーも使用でき、強力なソフトウェアツールである Siemens NX も使用できます」と述べています。

Logtenberg 氏は、顧客が希望する複雑さのレベルを選択できると述べています。「当社のアプローチはオープンソースに近く、さまざまなタイプの印刷ソフトウェアを使用できます。したがって、顧客が非常にシンプルな印刷を希望する場合はボタンを押すだけですが、より高度なソフトウェアも可能です。ただし、顧客は使用方法の知識を持っている必要があります。当社のビジョンは、人々が何を使用したいかを決め、それをサポートすることです。」ログテンバーグ氏は、CEAD は消費者ではなく企業に販売していると述べた。 (2Cではなく2Bです)「そのため、より多くのサポートを提供することができます。」

4. 印刷された部品と性能
「連続繊維で印刷した部品と短繊維で印刷した部品の違いは感じられますが、まだ性能テストは行っていません」とログテンバーグ氏は指摘する。工作機械の開発と初期立ち上げが完了した今、それが次の課題だ。「今年は、材料の特性を完全に把握し、各材料の組み合わせの圧縮強度、剛性などを記載したデータシートを作成することに取り組みます。」

細孔含有量と繊維容量を決定することも、この特性評価の一部です。「当社の繊維含有量は今のところ高くありません」とロッテンバーグ氏は認めています。「細断繊維ペレットを使用すれば、重量の 30% の繊維を得ることができます。連続繊維を追加しても、総生産量と体積が非常に大きいため、繊維含有量は 10% しか増加しません。」

空隙含有量を減らすための圧縮はどうでしょうか? 「ノズル自体が層を圧縮します。層の高さと幅を正しく設定する必要があります。これをうまく制御できれば、層間の接着が良好になります。」彼は、層を圧縮し、層をうまく融合させるのに十分な熱を与えるには、高さと幅の比率が適切な範囲にある必要があると説明しています。「たとえば、高さ 5 mm、幅 5 mm の印刷層では、圧縮力はほとんどありません。高さ 5 mm の層には、幅 10 mm が必要です。」

Logtenberg 氏は、CEAD は CFAM Prime の印刷品質を継続的に改善していると述べました。「当社はダイナミックプリント用の社内ソフトウェアを多数開発しました。押出機が材料を押し出すため、機械を回転させるために速度を落とさなければならなかったため、いくつか問題がありました。「現在はそれを解決しました。当社は、プロセス制御を改善するために、センサー、ダイナミクス、層温度を使用した追跡手段の開発を続けています。「

5. 将来のビジョン 従来の複合材業界の多くの人々は、繊維含有量が非常に低く、印刷された層間の剥離の可能性が非常に高い 3D 印刷された連続繊維複合材が、従来の複合材とどのように競合できるのか疑問に思っていました。ロッテンバーグ氏も同意する。「もちろん、Z 方向の強度は 3D プリント複合材にとって最も難しい要素の 1 つです。現在、当社は従来の複合材と競合していません。当社の生産は完全に自動化されているため、将来的には従来の複合材と競合できるようになると考えていますが、まだ道のりは長いです。現時点では、現在の製造方法を補完し、柔軟性とオープンな設計および生産の可能性を提供しています。」

オランダが連続繊維複合材3Dプリント技術を開発

AVIC重機：親会社帰属純利益は2023年に前年比9～13％増の見込み、大型鍛造品や3Dプリントが新たな成長ポイントとなる見込み

イノベーションスタジオMANUFACTURAはロブスターの殻を使って3Dプリントのバイオ複合材料を製造

インドの3Dプリントスタートアップは、3Dプリント技術を全国に普及させたいと考えている

面白い！ゼブラフィッシュは自身の3Dレプリカに騙される

SLAレーザー硬化3Dプリンターのローカリゼーション、VoxelDanceとデジタルテクノロジーが協力

世界の低コスト3Dプリント市場は2021年に40億ドルを超える

マテリアライズ・チャイナと上海連泰科技が戦略協力協定を締結

テキサスの病院が脳出血の治療に3Dプリントを使用

ナイロン（PA）3Dプリントの持続可能な開発の道はどこにあるのでしょうか？バイオベースの素材は画期的な進歩となるかもしれない

中国では3Dプリント技術が民生化している

推薦する

2017 年の世界の主要な自動車 3D プリントイベント

部品だけでなくロケット燃料も3Dプリント可能！ ?

30分で1,000個完売！ゾンウェイキューブ洗浄硬化機プラスの海外初販売は成功

ジェッティング技術：マテリアルジェッティングとバインダージェッティングの特徴

積層造形における持続可能性：機会、課題、評価ツール

中国科学院：3Dプリントにおける段差効果の排除に関する研究が進展

国家文化財管理局局長の劉玉珠氏とその代表団がShining 3Dの「インターネット+3Dスキャンと3Dプリント教室」を訪問

2,250ドルのVertigo Mk1 3Dプリンターは、自動排出、ベッド洗浄などの機能を備えており、現在クラウドファンディングで利用可能となっている。

第4回航空宇宙積層造形カンファレンスが上海で成功裏に開催されました

宇宙バイオテクノロジー企業ユーリは、微小重力下での生物学的実験を行うために3Dプリントを利用している。

Adaptiiv、HP、シーメンスが3Dプリントを通じて腫瘍放射線の個別化を改善するために協力

清華大学はPLAとPBSの混合物がFDM 3Dプリントに適しているかどうかを研究している

アメリカの 3D プリンティング臨床応用ポッドキャストの専門家が TCT アジアサミットに招待されて講演

Empa の研究者らが、温度センサーに数日間電力を供給するのに十分な電力を持つ生分解性菌類電池を 3D プリント

添加剤研究所が開発した「5軸アディティブ・サブトラクティブ複合加工センター」が2021年第1弾の主要技術設備製品に選定