3Dプリント炭素繊維複合材の新たな方向性

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-11-8 11:19 に最後に編集されました。

Antarctic Bear は、ハイテク素材と 3D プリントを組み合わせると、どのような火花が生まれるのかをいつも考えています。グラフェンは、現在最も注目されている新素材の 1 つです。自然界で最も薄く、最も強い素材です。3D プリントできれば完璧です。複合材料の分野では、製造上最も重要な分野の一つが炭素繊維強化材料です。炭素繊維強化材料は、非常に軽量でありながら金属に匹敵する強度を実現できます。炭素繊維は、航空宇宙や自動車分野など、重量と強度の比率を考慮する必要がある業界で幅広い応用が期待されています。

炭素繊維複合材料の分野における海外設備プレーヤーとしては、デスクトップレベルのMarkforged、Orbital Composites、産業レベルのArevo Labs、Impossible Objects、EnvisionTec、AFPテクノロジーのElectroimpactなどがあります。国内メーカーの炭素繊維材料の研究開発の現状はどうですか？
成都新科利化学技術は、3D プリントエンジンシリンダーヘッドに炭素繊維複合材料を使用<br /> 自動車のエンジンは材料強度に対する要求が非常に高く、以前は鋳鉄が使用されていましたが、重く、放熱性が悪かったです。そこで、軽量化と放熱性を高めるために、アルミニウム合金を使用したエンジンが誕生しました。アルミニウム合金は、自動車の性能向上と軽量化の要求を両立できる素材です。近年、自動車におけるアルミニウム合金の使用は増加し続けており、エンジン、熱交換器、ターボチャージャー、ギアボックス本体、ホイール、カーオーディオなどの部品として使用されています。

自動車の主要部品であるエンジンシリンダーヘッドの動作プロセスの信頼性は、自動車の正常な動作のパフォーマンスに直接関係しています。運転中、シリンダー内の燃料ガスの瞬間温度は 1100°C に達することがあり、ホットスタンプ、化学腐食、高圧などの複数の要因による過酷な環境にさらされます。したがって、シリンダーヘッドの構造的安定性、微小亀裂、高温耐性、耐腐食性に対して極めて高い要件が課せられます。
画像：海外で製造された炭素繊維複合アルミ素材で作られたエンジン部品。既存のアルミ合金は3Dプリントで自動車エンジンのシリンダーヘッドを形成する際に微小亀裂が生じやすく、強度と耐熱性が低下するという欠点を解決するため、成都新科利化学技術は3Dプリントエンジンシリンダーヘッド用の複合材料を提案した。複合材料には、炭素繊維前駆体と亀裂修復剤が含まれています。炭素繊維前駆体は、3Dプリントの接着性と成形性に優れています。焼結中、炭素繊維前駆体は550〜600°Cで炭素繊維に変換され、アルミニウム合金の強度と耐高温性が向上します。亀裂修復剤は、アルミニウム合金の溶融粒子をさらに微細化し、アルミニウム合金の粒子を小さく均一にし、マイクロクラックの発生を防ぎ、3Dプリント成形によるボイドやマイクロクラックの欠陥を排除します。この材料を使用して自動車エンジンのシリンダーヘッドを3Dプリントすると、変形することなく300℃の高温で長時間動作することができます。

北京化学技術大学航空宇宙用途向け炭素繊維強化複合材料の 3D プリント<br /> 北京化学工学大学の技術は、巻き出し装置で炭素繊維強化複合材料テープを巻き取り、送り装置で炭素繊維強化複合材料テープを印刷送りヘッドに送り込むというものである。印刷送りヘッドは炭素繊維強化複合材料テープを作業台に敷く。レーザー発生器のレーザー源はレーザーヘッド1とレーザーヘッド2の2つに分かれており、炭素繊維強化複合材料テープの側面と底面を加熱する。作業台は印刷と成形に必要な3次元の動きを備えている。
巻き出し装置に巻き付けられた炭素繊維強化複合材テープは、送り装置によって駆動され、プリンタの送りヘッドに送り込まれる。作業台は、プログラムによって駆動されるＸＹＺの３次元移動を行う。炭素繊維強化複合材が作業台上に敷かれた状態で、レーザー発生装置のレーザーヘッド１とレーザーヘッド２が、帯状炭素繊維強化複合材テープの側面と底面を加熱し、炭素繊維強化複合材テープを隣接する帯状炭素繊維強化複合材テープに接着する。この工程は、完成品が印刷されるまで繰り返される。

印刷プロセスは、微積分の原理に基づいて、製品モデルをいくつかのストリップ状のユニットに切断し、プリンターのノズルを使用して炭素繊維強化複合材料を正確に配置して配置し、レーザー加熱を使用して隣接する炭素繊維強化複合材料のストリップを溶かして製品全体を形成します。この方法は、特に大型製品の処理に適しており、複雑な製品の生産効率を向上させ、処理コストを削減できます。印刷された固体部品の強度と剛性も大幅に向上します。
また、3Dプリントの工程では、原材料を完全に溶かす必要がないため、省エネ、工程が簡単、コストが低く、印刷速度が速いなどの特徴があります。この製品は応用範囲が広く、特に大型製品の印刷や成形に適しています。この製品は、航空宇宙分野や高級自動車分野で使用できます。

北京化学工学大学の炭素繊維強化複合材料印刷技術は、マサチューセッツ工科大学の起業家チームが設立したImpossible ObjectsのCBAM技術をAntarctic Bearに思い起こさせました。CBAM技術の加工には、炭素繊維層に接着剤を吹き付ける必要があります。さらに、接着剤を除去するためのその後の熱処理プロセスも不可欠です。Antarctic Bear 3D Printing Networkにご注目ください。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
北京理工大学は、3Dプリントの原料として使用できるグラフェンベースの複合材料を開発した。
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