画期的！中国が連続繊維強化熱可塑性樹脂印刷技術を開発

春節の直後、南極熊はOPMが1000万ドルの投資を受け、ボーイングの有人宇宙計画に600個の3Dプリント部品を提供するというエキサイティングなニュースを目にした。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プリント部品が使用されると発表したとき、南極熊は軽量金属合金に代わるプラスチックが輸送分野の大きなトレンドになるとため息をつくしかなかった。

中国は軽量合金に代わるプラスチックの開発において国際レベルに追いついているのでしょうか、それとも独自のユニークな研究を行っているのでしょうか。次に、南京航空航天大学の連続繊維強化熱可塑性樹脂印刷技術における革新的な進歩を評価しましょう。

熱溶解積層法（FDM）技術は、低コストと優れた実現可能性により、近年大きな市場シェアを獲得しています。特に、小型デスクトップFDM 3Dプリンターの登場により、個々のユーザーが特定の機能を備えた複雑な部品を設計および製造できるようになりました。しかし、このプロセスでは、成形材料として熱溶融性の熱可塑性樹脂消耗品を使用します。材料自体に連続性がなく、層内の分子クラスター間の距離が大きく、層ごとに積み重ねるプロセスでは層間の結合も悪くなります。これらの特性により、脆く、衝撃強度が低く、変形しやすく、耐荷重性能が悪い部品になります。

国内外では、部品の設計プロセスで機械的特性を最適化するために構造トポロジー最適化が使用されることが多く、または熱可塑性マトリックスに粒子やチョップドファイバーなどの強化材が追加されますが、結局のところ、これらの方法では溶融堆積プロセスで形成された部品の機械的特性を根本的に改善することはできません。特に航空宇宙分野の複雑な部品では、軽量かつ高強度の要件がますます厳しくなっています。熱溶解積層法などの積層造形法は原材料を大幅に節約し、部品製造の難易度を下げることができますが、製品の機械的特性が悪いことも、業界での発展を制限する主な理由です。

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。

南京航空航天大学は、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ました。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、繊維と樹脂が十分に浸透し、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、樹脂が繊維内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。押し出し機のヘッドを回転させることにより、押し出し後にブレンドの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。

航空宇宙市場では金属から高性能材料への切り替えが現在定着しており、複合プラスチックは従来のアルミニウムを超える設計の自由度、製造の利便性、軽量性を追求するソリューションとなっていると考えています。

出典: 3Dサイエンスバレー

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