カーボンファイバー 3D プリント技術と主要なカーボンファイバー 3D プリント企業の一覧

出典：中国科学院寧波材料研究所

3D プリントカーボンファイバーは、金属に次いで 2 番目に需要のある付加製造技術です。積層造形技術の最近の進歩により、さまざまな入手困難な材料を使った印刷がついに実現しました。ただし、すべてのカーボンファイバー 3D プリンターが同じというわけではありません。一部のマシンでは、従来の熱可塑性プラスチックを強化するために微細なチョップドファイバーを使用しますが、他のマシンでは、熱可塑性マトリックス (通常はチョップドファイバーで満たされている) 内に配置された連続ファイバーを使用して、部品内に「スケルトン」を作成します。

3Dプリントにおけるカーボンファイバーの役割の詳細な説明<br /> 炭素繊維は炭素原子の整列した鎖で構成されており、非常に高い引張強度を持っています。それらはそれ自体では特に有用ではありません。薄くて脆い性質のため、実際の用途では壊れやすい傾向があります。しかし、繊維をまとめて接着剤で接着すると、繊維が荷重をスムーズに分散し、非常に強くて軽量な複合材を形成します。これらの炭素繊維複合材は、シート、チューブ、またはカスタム成形された形状で提供され、強度と重量の比率が重要となる航空宇宙産業や自動車産業などで使用されています。一般的に接着剤としては熱硬化性樹脂が用いられます。

3D 印刷技術の最近の進歩により、標準的な炭素繊維プロセスとは異なる結合材料を使用しても、企業は炭素繊維で印刷できるようになりました。樹脂は溶けないのでノズルから押し出すことができません。この問題を解決するために、3D プリンターでは樹脂を印刷しやすい熱可塑性プラスチックに置き換えています。これらの部品は樹脂ベースの炭素繊維複合材ほど耐熱性はありませんが、繊維の強度の恩恵を受けています。

現在、炭素繊維強化プラスチックおよび複合材料（SCFT、LCFRT、CFRP、CFRTP）における3Dプリント付加製造技術の応用は、国内外で炭素繊維複合材料の製造のための急速に発展しているデジタル、インテリジェント、自動化されたハイテク新技術となっています。従来の炭素繊維複合材料の成形および準備プロセスと比較して、プロセスが簡単で、処理コストが低く、原材料の利用率が高く、グリーンで環境に優しい生産技術であり、部品の製造コストが削減されるという利点があります。同時に、複合部品の構造設計と製造の統合を実現し、製造のために金型を開く必要がなく、金型を繰り返しデジタル化して部品を印刷して検証できるため、開発サイクルが高速化され、開発コストが節約されます。低コストの迅速な試作と製造のための効果的な技術ソリューションとして使用できます。炭素繊維強化プラスチックと複合材料は、航空宇宙産業や軍事産業で 3D プリント技術を使用して、より軽量で強度の高い工業グレードの軽量複合材料で作られた複雑な構造部品を製造するために使用できます。炭素繊維（CF）は、コストが高く、製造プロセスの条件と制御が複雑で、特殊な加工・成形設備が少なく、専門的なエンジニアリング技術者が不足しているため、3Dプリント業界での開発と応用が限られています。しかし、国内外のさまざまな業界、特に航空宇宙、新エネルギー電気自動車の研究開発での将来の応用開発に大きな可能性を秘めており、幅広い応用展望と発展を秘めています。

FDM 溶融押し出しによるカーボンファイバーの印刷には、カーボンファイバー複合材料を PETG などのホットメルトプラスチックと一緒に印刷する必要があります。PETG は材料自体に優れた延性があり、ある程度の延性と耐衝撃性を維持しながら、より高い CF 負荷に耐えることができます。さまざまなビルドプラットフォームにしっかりと接着し、優れた層結合性を備え、カーボンファイバーの追加により剛性と寸法安定性が向上します。オランダの colorFabb の XT-CF20 印刷材料には、イーストマンケミカルの PETG 材料と 20% の炭素繊維材料が含まれています。3DXTECH もイーストマンの PETG 材料と高弾性炭素繊維を組み合わせて複合材料を製造しています。もう一つの会社、プロトパスタ社の炭素繊維強化材料 PLA は、トウモロコシの澱粉由来のプラスチックと炭素繊維の複合材料を合成したものです。
カーボンファイバー 3D プリント方法<br /> 現在、炭素繊維印刷には、細断炭素繊維充填熱可塑性プラスチックと連続炭素繊維強化材の 2 つのアプローチがあります。チョップドカーボンファイバー充填熱可塑性プラスチックは、標準の FFF (FDM) プリンターで印刷され、極小のチョップドストランド、つまりカーボンファイバーで強化された熱可塑性プラスチック (PLA、ABS、またはナイロン) で構成されています。一方、連続炭素繊維製造は、連続炭素繊維ストランドを標準 FFF (FDM) 熱可塑性基板に敷き詰める独自の印刷プロセスです。

両方の炭素繊維は、チョップド炭素繊維充填プラスチックと連続繊維製造に使用されますが、それらの違いは非常に大きいです。各方法の仕組みとその理想的な用途を理解することで、積層造形作業で何をすべきかについて情報に基づいた決定を下すことができます。

チョップドカーボンファイバー充填熱可塑性プラスチックから作られた3Dプリントカーボンファイバー出典: Markforged

チョップドカーボンファイバーは、本質的には標準的な熱可塑性プラスチックの強化材です。これにより、企業は一般的に弱い材料をより強度の高い状態で印刷できるようになります。次に、この材料を熱可塑性プラスチックと混合し、得られた混合物を溶融フィラメント製造 (FFF) 技術用のスプールに押し出します。 FFF 方式を使用した複合材料の場合、材料は、通常は炭素繊維などの短繊維と、ナイロン、ABS、ポリ乳酸などの従来の熱可塑性プラスチックを混合して作られます。 FFF プロセスは同じままですが、細断された繊維によりモデルの強度と剛性が高まり、寸法安定性、表面仕上げ、精度が向上します。

このアプローチには必ずしも欠陥がないわけではありません。一部の短繊維強化フィラメントは、材料の繊維の過飽和度を調整することで強度を高めます。これにより、ワークピースの全体的な品質に悪影響が及び、表面品質と部品の精度が低下する可能性があります。短繊維カーボンファイバーは、社内テストや顧客向け部品に必要な強度と外観を提供するため、試作品や最終用途部品の製造に使用できます。

カーボンファイバー 3D プリントでは連続繊維強化が使用される出典: markforged

連続炭素繊維こそが本当の利点です。これは、従来の金属部品を 3D プリントされた複合部品に置き換えるコスト効率の高いソリューションであり、従来の金属部品と同等の強度をわずかな重量で実現します。連続フィラメント製造 (CFF) 技術を使用して熱可塑性プラスチックに材料を埋め込むことができます。この方法を使用するプリンターは、印刷時に FFF 押し出し熱可塑性プラスチック内の 2 番目の印刷ノズルから連続した高強度繊維 (カーボンファイバー、グラスファイバー、ケブラーなど) を配置します。強化繊維は印刷された部品の「バックボーン」を形成し、硬く、強く、耐久性のある効果を生み出します。

連続カーボンファイバーは強度を高めるだけでなく、より高い耐久性が求められる領域を選択的に補強する機能もユーザーに提供します。コアプロセスは FFF の性質を持つため、レイヤーごとに強化することを選択できます。各層には、同心軸補強と等方性補強の 2 つの補強方法があります。同心円状の塗りつぶしは、各レイヤーの外側の境界 (内側と外側) を強制し、ユーザーが定義したループの数を通じてパーツ内に拡張します。等方性充填により、各層に一方向の複合強化が形成され、層上の強化方向を変えることで炭素繊維織りをシミュレートできます。これらの強化戦略により、航空宇宙、自動車、製造などの業界では、複合材料を新しい方法でワークフローに統合できるようになります。印刷された部品は、アームエンドツール、ソフトジョー、CMM 固定具などのツールや固定具 (金属特性を効果的にシミュレートするには連続カーボンファイバーが必要です) として使用できます。

カーボンファイバー3Dプリント技術

1. レーザー焼結技術
材質の特徴:短繊維強化ナイロン、PEEK、TPU、その他の粉末材料
プロセスの特徴:ショートカットのカーボンファイバーとナイロン素材を一定の割合で混合し、レーザー焼結によって一体化します。

レーザー焼結カーボンファイバー自動車吸気マニホールド機能プロトタイプ

2. マルチジェット溶融技術
材質の特徴:短繊維強化ナイロン、PEEK、TPU、その他の粉末材料
プロセスの特徴:ランプによる加熱により、部品の断面が溶剤の作用で十分な熱を集め、溶融と成形を実現します。

MJFテクノロジーは繊維強化部品を印刷します

3. FDM技術
材質の特徴:長繊維強化PLA、ナイロン、PEEK、その他のワイヤー素材
プロセス特性: FDM 技術は、従来のフィラメントに長い繊維を充填してフィラメントの品質を向上させるために使用されます。

FDM 印刷による炭素繊維強化 PEEK 翼

カーボンファイバー 3D プリント会社
1. オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ
OXFAB は主に、SLS 3D 印刷装置に適した炭素繊維強化 PEEK 材料を生産しています。現在、航空宇宙分野では、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ（OPM）がボーイングCST-100ロケット宇宙船の3Dプリント構造部品の提供元に選ばれ、OXFAB材料でプリントした部品の出荷を開始しています。 2016年、複合材料大手のヘクセルはオックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ（OPM）への戦略的投資を完了した。

OXFAB は、高性能の航空宇宙および工業用部品に不可欠な、高度な耐薬品性と耐熱性を備えています。広範な機械テストデータにより、OXFAB を使用して、完全に機能し、すぐに使用できる部品を 3D プリントできることが証明されています。 OPM は、航空宇宙および産業分野の顧客と、大幅な重量とコストの削減が可能な商用および軍用航空機、宇宙、産業アプリケーション向けの 3D プリント部品に関する重要な開発契約を数多く履行しています。

Hexcel は、世界中の施設で、炭素繊維、強化繊維、プリプレグ (または「プリプレグ」)、ハニカム、工具材料、航空機構造など、さまざまな先進材料を製造しています。ハーシーからの投資を受けたOPMは、アプリケーション側との統合においてより適応性が高い。

2. ストラタシス
Stratasys は主に、FDM タイプの 3D 印刷装置に適した炭素繊維強化ナイロン材料を製造しています。積層造形技術の専門家であるストラタシスは、FDM 3Dプリント技術にナイロン12CF材料を使用しています。最大35％の炭素繊維を含むため、極限引張強度76MPa（MPA）、引張弾性率7529MPa、曲げ強度142MPaなど、さまざまな特性が優れており、多くの用途で金属を置き換えるのに十分であり、自動車や航空宇宙などの産業に非常に適しています。この炭素繊維強化熱可塑性材料は、高性能プロトタイプの製造に使用され、設計検証中の生産部品の厳しいテストに耐えることができ、生産環境の厳しい要件を満たし、生産ラインでの治具製造に使用できます。

ストラタシスはマクラーレンと提携を結んだ。この提携では、マクラーレンのF1カーに3Dプリント部品が搭載されるなど、すでに実質的な進歩が見られています。

3. ArevoLabs、シリコンバレー、米国<br /> 同社は米国の有名なシリコンバレーに拠点を置く企業で、主な事業は、工業用グレードのカーボンファイバー3Dプリンター、3Dプリント用の新しいカーボンファイバーとカーボンナノチューブ（CNT）強化高性能材料の提供、独自の3Dプリント技術と専用ソフトウェアアルゴリズムを使用して、市場に出回っている既存のフィラメント溶融3Dプリンターを使用して製品グレードの超強力ポリマー部品を製造することです。同社は2015年後半に初のロボットアーム3Dプリントプラットフォーム（RAM）を発売した。このプラットフォームは、ABB Robotics の商用 6 軸ロボットシステム、FDM 3D 印刷コンポーネント、エンドエフェクタハードウェア、および包括的なソフトウェアセットで構成されており、高性能炭素繊維熱可塑性材料を使用して複雑な複合部品を 3D 印刷できます。 RAM には ABB の最小ロボットアームである IRB120 が搭載されていますが、使用するスケーラブルなソフトウェアは、より大きなモデルにも対応し、サポートできます。モデルに応じて、その造形体積は 1,000 立方ミリメートルから 8,000 立方ミリメートルまで小さくなります。エンドエフェクタハードウェアには、高性能炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを処理するための熱管理された堆積ヘッドが含まれています。 Arevo のソフトウェアスイートは、コンピューター支援設計モデルを一連の命令に変換し、ロボットに送信して積層造形を実行します。このソフトウェアは、3 次元表面上でロボットアームの方向を変更できる 6 自由度と多軸ツールパスを提供します。正確な運動シミュレーションにより、材料の堆積指示を解釈し、印刷プロセスを検証および最適化します。

4. エンビジョンテック
EnvisionTEC は、ナイロン 6、ナイロン 11、ナイロン 12、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリカーボネートなどの多くの材料で強化できる炭素繊維織物やその他のタイプの強化アラミド繊維織物の加工用に、2016 年半ばに SLCOM1 産業用複合材 3D プリンターを発売しました。航空宇宙、自動車、スポーツ用品、医療分野における高品質 3D プリント部品のカスタマイズに適しています。オーダーメイド製品は、炭素繊維の並外れた靭性、耐候性、衝撃吸収性能、高い耐摩耗性、高い強度対重量比を十分に発揮します。

5. エレクトロインパクト同社の主力機器は自動ファイバープレースメントマシン（AFP）です。極薄カーボンファイバープリプレグテープまたはプリプレグシルク自動配置技術を使用して、非常に優れた印刷品質を実現します。この装置は、長さ6.4メートルのロボットアームと、旧式のミシンの糸巻き機に似た16個の装置を頭部に搭載している。アーム全体は長さ12メートルのトラックに取り付けられており、モデルの周りを素早く移動しながら同時に印刷できるため、製造時間を大幅に短縮し、部品や試作品のコストを削減できる。 AFP の基本原理は従来の FDM プリンターと同様で、長さ約 8 メートルまでの部品を印刷でき、凹凸のある複雑な表面でも驚異的な 50 メートル/分の印刷速度を実現します。いくつかの有名な機関や企業がAFPの設備や製品を購入しています。たとえば、NASAのマーシャル・エアロスペースは、宇宙船の部品を製造するためにAFPプリントを購入しました。同時に、ボーイングもエレクトロインパクトのAFP設備を数台購入し、テクノロジーウィングの複合材料の製造に使用することを期待しています。

6. 不可能な物体
同社の特許取得済み複合 3D 印刷プロセス (CBAM) は、特定の材料を層状に成形し、内蔵の熱源でそれらを融合します。印刷が完了したら、不要な材料を取り除きます。 Impossible Objects は、3D 印刷技術にカーボンファイバー、ケブラー、グラスファイバーなどのより強力な材料を使用しています。印刷された部品は、従来の熱可塑性材料を使用して印刷された部品よりも 2 ～ 10 倍の強度があります。独自の複合組成により、熱および化学腐食環境を含むさまざまな用途に合わせてカスタマイズすることもできます。 Impossible Objects の創設者 Robert Swartz 氏は、カーボンファイバー部品を印刷できるようになることで、3D 印刷技術が多くの分野でより有用になると考えています。現在の 3D プリントされたプラスチック部品の性能はあまり良くなく、性能を向上させるには、より優れた材料が必要です。 Impossible Objects は新しいプロセスを開発しました。新しいプロセスでは、カーボンファイバーの印刷を避け、代わりにカーボンファイバー布から始めます。プリンターは、デジタル指示に従ってカーボンファイバー布の上に洗浄液を正確に噴霧し、設計に従って樹脂を追加します。カーボンファイバー布を重ねて加熱し、樹脂を溶かしてカーボンファイバーと結合させます。最後に、樹脂と結合できなかったカーボンファイバーを取り除きます。 Impossible0objects は、新しいプロセスに基づいてデバイスを製造し、販売しています。現在のビジネスモデルは、高強度プラスチック製品の印刷サービスを顧客に提供することです。彼らはCBAM技術機器を商品化しており、次のステップは機器を直接販売することです。

7. マークフォージド
同社は2年前、複合材料を印刷できる世界初のデスクトップ3Dプリンター「MarkOne」を発売した。この装置は、成形サイズが305mm×160mm×160mmで、炭素繊維などの複合材料を使用して、金属部品に匹敵する機械的特性を持つ「連続繊維強化」プラスチック部品を直接生産することができます。この機械には、ナイロン素材を使用したプリントヘッドと、カーボンファイバーやグラスファイバーなどの高強度繊維素材を使用したプリントヘッドの2つがあり、これらを組み合わせることで、アルミニウム製品に匹敵するかそれ以上の超強度の部品を生産します。 Mark Forged の CEO である Greg Mark 氏は、カーボンファイバーが高価な主な理由の 1 つは、その製造プロセスが複雑で時間がかかり、労働集約的であることだと考えています。マーク氏は、自社が開発した新しい技術は非常にシンプルで、コンピューター上でコンポーネントを設計し、ボタンをクリックするだけで、数時間でコンポーネントが表示されると考えています。機器の幅広い応用と実用性により、同社は2015年に400%の利益を達成しました。

8. ジャーマンレップラップ
ドイツのミュンヘンに本社を置く GermanRepRap は、高品質の 3D プリンターと 3D プリントフィラメントでよく知られています。業界が成長を続ける中、同社は2015年7月20日に新しい3Dプリント用カーボンファイバーフィラメント「Carbon20」の発売を発表しました。同社によれば、これは機能部品の3Dプリントに使用できるフィラメントだという。 Carbon20 ワイヤーには 20% の炭素繊維が含まれており、これがその名前の由来です。信頼性の高い剛性と硬度が求められる工業用部品の 3D プリントに最適です。

9. 東京理科大学松崎良介氏のチームは、炭素繊維複合材を3Dプリントできる3Dプリンターの開発に成功しました。フィラメントカーボンファイバーを熱可塑性樹脂に浸し、立体形状をプリントアウトします。試験片の引張強度は熱可塑性樹脂の6倍であった。将来的には、炭素繊維の密度をさらに向上させ、より強度の高い複合材料の形状を印刷できるようになります。これは、スーパーレジン工業（東京都稲城市）、日本大学、東京工業大学、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が共同で推進する経済産業省の戦略的基盤技術プロジェクトの成果である。 3Dプリントヘッドはカーボンファイバーと熱可塑性樹脂を混ぜて作られ、その後、樹脂に浸したカーボンファイバーがプリントヘッドに供給されます。印刷する前に、樹脂が繊維間に浸透して拡散しやすいように、カーボンファイバーを加熱する必要があります。押し出された樹脂は、3Dプリント用のカーボンファイバーに連続的に供給できます。繊維と樹脂の混合比率は、印刷要件に応じて調整できます。

炭素繊維を熱可塑性樹脂ポリ乳酸と組み合わせて使用すると、体積繊維占有率は6.6％となり、引張強度は200MPaと6倍に向上します。弾性率は20GMPaに達し、4倍に増加しました。この段階で、チームはプリントヘッドの製造を完了し、3Dプリントを正常に実行できるようになりました。今後はカーボンファイバーの密度を10倍程度に高め、印刷精度をさらに向上させることを目指している。

今日、積層造形の分野は爆発的に成長しており、一部のプリンターではカーボンファイバーを使った印刷が可能になっています。 3Dプリント業界が1兆ドル規模の製造市場でより大きなシェアを獲得したいのであれば、3Dプリント技術は設備と材料の両方で努力する必要があります。炭素繊維のさまざまな利点と性能は、この目標を現実に変えることができる可能性を反映しています。従来の製造業と競争するために、複合材料は間違いなく3Dプリントが主流の技術になる原動力の1つになるでしょう。

出典：中国科学院寧波材料研究所

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