ボーイング社が複合材製品を製造するために光硬化技術をどのように使用しているかご覧ください。

ボーイングは最近、光硬化技術によって複合製品を製造する連続樹脂ベースの複合3Dプリント技術を開発しているとみられる。その基本原理には、搬送機構を介してフィラメントの移動を促進し、連続的な 3D 印刷プロセスを実現することが含まれており、フィラメントには非樹脂成分と光重合性樹脂成分が含まれていることが理解されます。供給機構は、対向するローラーと、対向するローラーの少なくとも 1 つと接触するスクレーパーとを含む。

連続した柔軟なフィラメントの一部がデリバリーガイドによって印刷経路に沿って堆積され、次に、印刷経路に沿って堆積された連続した柔軟なフィラメントの一部に硬化エネルギーが供給され、光重合性樹脂成分の残留物がスクレーパーを使用して除去される。

181125-1-Update 連続フレキシブルフィラメント材料には、プリプレグ複合材料と非樹脂コンポーネントが含まれ、炭素繊維、ガラス繊維、合成有機繊維、アラミド繊維、天然繊維、木質繊維、ホウ素繊維、シリコンカーバイド繊維、光ファイバー、繊維編組、金属線、ワイヤーなどの 1 つ以上の繊維材料が含まれます。連続した柔軟なフィラメントを可塑剤と重ねて複合部品を作ります。

使用される特定の材料は、強度、剛性、柔軟性、硬度など、達成する必要のある物理的特性によって決まります。ただし、強度、硬度、柔軟性、剛性の考慮に加えて、色、発光、伝導性、熱伝導性などの側面の正確な選択にまで拡張されることもあります。

処理中は、紫外線に加えて、赤外線やX線を使用してポリマー樹脂を硬化させることもできます。

おそらく、なぜボーイングがこのような材料を開発したいのか、興味があるでしょう。実際、ボーイングがスターライナー宇宙タクシーに600個以上の3Dプリント部品を使用すると発表したとき、それはプラスチックが軽量金属合金に取って代わり、輸送分野の大きなトレンドになることも意味します。

しかし、市場調査によると、ボーイングが開発した連続樹脂ベース複合材3Dプリント技術は、航空宇宙用途に適しているだけでなく、車両、船舶、宇宙船など他の産業にも応用できるとのことだ。

市場にある連続繊維強化樹脂ベース複合材料の 3D プリント方法には、主に次のような問題があります。
- 各種繊維が工場から出荷されるとき、その表面活性基は熱硬化性樹脂による含浸プロセスにのみ適しています。未処理の繊維を単純な手段で溶融熱可塑性樹脂と混合すると、繊維に樹脂を十分に含浸させることが難しく、部品内の繊維と樹脂の界面が悪くなります。

- 大トウ繊維は平らなリボン状をしており、既存の3Dプリント方法では大トウ繊維を使用することは困難です。また、小トウ繊維は成形工程中の成形速度が遅く、成形後の表面品質、繊維樹脂の体積分率、繊維樹脂の分布、層間結合強度などの性能指標を制御することが困難です。

- 既存の方法では、印刷プロセス中に、繊維の局所的な分岐や破損により、繊維がキャビティ内に蓄積して詰まりやすく、成形プロセスに影響を与えます。同時に、成形トラック内の繊維は緩く不規則に分布し、部品の支持性能に影響を与えます。

市場調査によると、中国では、南京航空航天大学が、熱可塑性樹脂系複合材料の既存の3Dプリントで使用される接続繊維が小さく、接続繊維を効果的に含浸できないために成形速度が遅く、部品のサイズ制限が大きく、成形部品の全体的な性能が低いという問題を解決するために、連続繊維強化熱可塑性樹脂系複合材料の3Dプリント方法を発明した。この印刷技術は、より大きな繊維束に適しており、成形速度が速く、表面品質が向上しています。同時に、繊維と熱可塑性マトリックス間の界面結合性能が良好で、構成繊維含有量が高く、繊維密度が高く、印刷された部品の力学が改善されています。

南京航空航天大学は、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の回転混合3Dプリントヘッドも開発しました。このヘッドの特徴は、押出機ヘッドが溶融室に接続され、中心軸を中心に回転することができ、回転方向は溶融室と反対であることです。溶融室と押出機ヘッドの内側には攪拌歯リングがあり、2段逆回転螺旋歯リングの攪拌作用により、繊維束と溶融熱可塑性樹脂が均一に混合され、混合物は螺旋状に円筒状のフィラメント束にしっかりと巻き取られ、樹脂は繊維の配向に沿って均一に分布します。押出機ヘッドは材料を成形領域に押し出し、繊維強化樹脂ベースの複合材料に固化します。

南京航空航天大学の技術は、現在の熱可塑性複合材成形技術における画期的な進歩です。南京航空航天大学は、2段階の回転キャビティを使用して繊維と樹脂のブレンドを攪拌および巻き取ります。これは、より大きな繊維束に適しており、プリントヘッドの繊維の元の状態への適応性を最適化します。同じ印刷速度で、印刷効率が向上し、部品の表面品質が向上します。攪拌とブレンドの作用により、繊維と樹脂が完全に浸透し、ブレンド内の繊維がしっかりと螺旋状に巻き付けられ、補強材の支持力が向上します。樹脂は繊維全体に均一に分散されるため、部品の層間および界面の結合性能が向上し、印刷された部品の機械的特性が向上します。押し出しヘッドの回転により、押し出し後のブレンド内で繊維と樹脂が均一に分散され、繊維の体積含有量が高くなります。

現在、連続繊維強化熱可塑性複合材成形FDM印刷技術分野で活躍している企業や研究機関としては、米国のマークフォージド社、日本大学、東京工業大学、西安交通大学などがあります。 3D プリンティング南京航空航天大学がこの技術レベルを新たな高みに押し上げるにつれて、連続繊維強化熱可塑性複合材印刷技術の FDM 技術はさらに産業レベルの応用へと進んでいます。

南京航空航天大学の画期的な成果は、高い成形効率と良好な表面品質を備えた、高い機械的特性を持つ連続繊維強化熱可塑性マトリックス複合部品の3Dプリントを実現したことです。これは、高い性能要件を持つ複雑な航空宇宙部品の成形プロセスに適用できます。
金属から高性能材料への切り替えは現在、航空宇宙市場で確立されたトレンドであり、設計の自由度、製造の利便性、軽量化を追求して、従来のアルミニウムの代替として複合プラスチックが登場しています。

出典: 3Dサイエンスバレー

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