3Dプリント複合材料：世界市場規模は10年後には5億ドルを超える

3D プリンティングはデジタル製造の最も純粋な形態として、市場規模と開発速度が毎年飛躍的に拡大しています。コンピューターと機械が関係しており、最も重要な影響要因は先進的な材料科学、特に複合材料であり、これが付加製造の自動化に最も大きな影響を与えています。

SmarTech の最新刊行物「3D プリント複合材料市場 - 2017: 機会分析と 10 年間の予測」では、3D プリント複合材料について詳細かつ正確な評価が提供されています。2026 年までに、3D プリントで使用される複合材料の世界的収益は 5 億米ドルを超え、複合材料は今後 10 年間で 3D プリントにとって最も重要な市場機会になると言われています。
▲現在3Dプリント可能な複合材料の表
3D プリントは、業界では製造工程を簡素化および自動化する方法として認識されています。重量の最適化と強度という繊維複合材の利点はそのまま維持されます。ポリマー 3D プリント業界にとって、3D プリントされた複合部品は、軽量航空機や自動車用の大型で複雑な形状の部品を含む、工業用端末部品の製造へのより直接的な道筋となります。

現在、複合材料を使用できる主な 3D 印刷技術は、熱溶解積層法 (FDM) と粉末床溶融結合法 (PBF) の 2 つであり、後者は主に選択的レーザー焼結法 (SLS) を指します。

押し出し複合材料

複合材押し出し製造方法は、いくつかの異なるアプリケーション領域に分けられ、そのうちのいくつかはまだ研究段階にあります。最も実用的な FDM アプリケーションはカスタム犠牲ツールです。これは、複雑な複合部品を作成するときに、標準的な複合プリプレグ材料ツールをすばやく 3D プリントできることを意味します。犠牲ツールは、コンポーネント製造を新しいレベルに引き上げます。非常に複雑な複合部品を作成する場合、それらを再度組み立てる必要はありません。3D プリントされた犠牲ツールを水に溶かすだけです。ストラタシスが製造する ST 130 材料は、ホットプレスプロセス中に複合部品の形状を完全に保持できます。これは現在、連続繊維複合材の機械的特性と 3D プリントの高度な形状を組み合わせることができる唯一のシステムです。
▲現在最も有名な複合材3Dプリンター - 米国のMarkeForge社が開発したMarkシリーズ
▲カーボンファイバー、グラスファイバー、ケブラーナイロンの3つの複合材料を使用して3Dプリントされたツール
将来的には複合材の生産は完全に自動化されるでしょう。 MarkForged は、3D プリントされた熱ポリマー部品 (主にナイロン) のプリント層の間に連続繊維 (カーボン、ガラス、ケブラー) を配置できる材料押し出し技術を開発した米国の 3D プリント機器メーカーです。連続繊維複合材料を 3D プリントできる唯一の商用技術でもあります。

他のメーカーや研究機関、特にミラノ工科大学のピウ研究所は、熱硬化性樹脂や感光性樹脂を利用して連続繊維複合材を押し出すことができる 6 軸ロボットを使用する技術を開発しています。ただし、これらの方法はまだ探索段階にあります。

▲オークリッジ国立研究所（ORNL）とシンシナティが共同開発した超大型FDMシステムBAAMは、複合材料の印刷も可能
▲アメリカのローカルモーターズが製造した世界初の3Dプリント車。その大部分は複合材料でできている
Strati は Local Motors 初の 3D プリント車であるため、多くの 3D プリンターメーカーが、主に ABS やナイロンなどの熱可塑性ポリマーを使用して、長繊維複合材 (最大 3mm) の 3D プリントの可能性を模索しています。

最も実用的な事例は、米国シンシナティの BAAM (大規模積層造形) プラットフォームです。ローレンスリバモア国立研究所と Local Motors は、BAAM と複合 ABS カーボンファイバー粒子を使用して、家庭用電気自動車の車体全体を一度に印刷しました。

炭素繊維は熱可塑性ポリマー材料に優れた機械的特性を与えると同時に、熱押し出し時の温度差によって生じる反りを軽減します。

ストラタシスはナイロン炭素繊維複合ペレットを使用してさらに一歩進み、材料を押し出して3次元空間に正確に配置することで、大きく複雑な構造物を構築できる8軸ロボットアームを開発しました。

このプラットフォームはまだテスト段階にあり、フォードやボーイングなどのストラタシスのパートナーがこれに取り組んでいる。さらに、他の低コスト材料押し出し機やワイヤー製造業者も長繊維熱可塑性繊維の開発と利用を進めており、現在、ナイロン炭素繊維（CF 20～30% まで）の使用が最も一般的なアプローチとなっています。

粉末床溶融結合複合材料

粉末床溶融結合法 (PBF) は、短い (数百ミクロン) チョップドファイバー複合材が今後も広く応用されていくと思われるもう 1 つの分野です。 PBF テクノロジーの市場環境は非常に異なり、エントリーレベルの SLS システムの価格は 20 万ユーロから始まります。この市場は20年近くEOSと3D Systemsが独占してきましたが、近年ではProdwaysやRicohなど多くの新規企業が参入しています。 HP もこの市場に参入し、標準 SLS より 10 倍高速な MJF (Multi Jet Fusion) と呼ばれる PBF テクノロジを開発しました。
▲複合Windform素材とPBF技術を使用して3Dプリントされたインテークマニホールド
ほとんどの企業は、主にガラス繊維（またはガラスビーズ）と炭素繊維ナイロン複合材に焦点を当てた新素材の開発を大手化学企業に依頼しています。これらの分野でより積極的に活動しているリーダーとしてはアルケマや BASF が挙げられますが、3D プリント用の複合粉末技術ではイタリアの CRP グループとその Windform シリーズの材料が主導的な地位を占めています。これらの材料は主に自動車や航空宇宙の試作品に使用されていますが、最終部品の生産にもますます使用されるようになっています。

▲ エネルジカの電動スーパーバイクのプロトタイプには、Windform 3Dで印刷された多くの部品が搭載されている
熱ポリマープリプレグマトリックスを使用した連続繊維複合材用の別の 3D 印刷技術も開発中です。 EnvisionTEC が開発した SLCOM 1 システムは、レイヤリング技術とプリプレグロールを使用して 3D パーツを製造します。部品の層は切り出され、熱可塑性ポリマーのプリプレグマトリックスを高温で溶かして所定の位置に配置されます。プロセス全体は X 軸と Y 軸でのみ機能し、Z 軸では同じパフォーマンスは提供されませんが、PEEK などの高性能熱可塑性ポリマーを使用して部品の強度を確保できます。

さらに読む:
3Dプリント炭素繊維複合材の新たな方向性
Markforged が第 2 世代のカーボンファイバー 3D プリンターを発売 - Mark Two
《速報：革命的な巨大3Dプリンター、200倍の速さ、ORNLがBAAMを開発》

Antarctic Bear は、3D プリントのプロフェッショナルメディアプラットフォームです。クリックしてウェブサイトhttp://www.nanjixiong.com/にアクセスしてください。

出典: 3Dプリンティングワールド

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