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

3D プリントされたカーボンファイバーは、おそらく金属に次いで 2 番目に求められてい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 (多くの場合、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。
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。現在、カーボンファイバー 3D プリンターは WeChat ミニプログラム「グローバル 3D プリント製品ライブラリ」に含まれています。「カーボンファイバー」を検索すると、世界中のカーボンファイバー 3D プリンターを見つけることができます。
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簡単に印刷できる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。

細断された炭素繊維を充填した熱可塑性プラスチックから作られた 3D プリントされた炭素繊維。出典: Markforged チョップドカーボンファイバーは、基本的に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、強化のために連続繊維を使用します。出典: markforged 連続カーボンファイバー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。

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。ただし、購入する複合材料と、各繊維がどのような用途に使用されているかに注意を払うことが最善です。連続炭素繊維であると明記されていない限り、その材料はほぼ間違いなく、細断された炭素繊維強化フィラメントで構成されています。どちらも独立した価値を提供しますが、両方を同時に印刷できることが、すべてのアプリケーションのニーズを満たす最善の方法です。

出典: rdmag、Materials Science Online

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