カーボンファイバー：最高の3Dプリント材料の一つ

70億ドル規模の3Dプリンティング業界が1000億ドル規模の製造市場でシェアを獲得するには、3Dプリンティング技術が機器と材料の両方で進歩する必要がある。 Carbon と HP は、自社のプロセスを通じてこの可能性をどのように実現できるかを実証しています。

材料分野では、デュポンからイーストマンまで、材料化学企業が3Dプリント材料の研究に注力しています。市場コンサルティング会社IDTechExによると、材料市場は2025年までに83億米ドルの市場シェアに達すると予想されています。3D Science Valleyは、現在、光硬化が材料市場で最大の市場シェアを占めていますが、従来の製造業と競争するために、複合材料が3Dプリントが主流の技術になる原動力の1つになると考えています。 GE のビデオをクリックして、航空業界における複合材料の重要性について学んでください。

複合材料の分野では、製造業にとって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。

カーボンファイバーは3Dプリントに最適な素材の一つです

炭素繊維は1970年代から工業製造分野に参入し、自動車、スポーツ用品、エンジニアリング、電子機器に応用されてきました。エアバス A350 XWB には 52% の炭素繊維強化 (CFRP) 部品が含まれており、ボーイング 787 ドリームライナーには 50% の炭素繊維強化 (CFRP) 部品が含まれています。自動車分野では、BMW i3にも多数の炭素繊維強化部品が使用されています。

画像: 航空機における炭素繊維の割合は年々増加しています。出典: Hexel
炭素繊維を製造する従来のプロセスは非常に複雑で、多くの手作業を必要とします。 3D プリントは、より便利で多くの人手を必要としない炭素繊維製造に新たな分野をもたらしました。

デスクトップカーボンファイバー印刷

FDM 溶融押し出しによるカーボンファイバーの印刷には、カーボンファイバーをホットメルトプラスチックと一緒に印刷する必要があります。この点に関して、オランダの colorFabb の XT-CF20 材料には、イーストマンケミカルの PETG 材料と 20% の炭素繊維材料が含まれています。 3DXTECH は、高弾性炭素繊維と組み合わせた Eastman PETG 材料を使用して複合材料も製造しています。 PETG は素材自体の延性が良好で、一定の延性と耐衝撃性を維持しながら、より高い CF 負荷に耐えることができます。さまざまなビルドプラットフォームにしっかりと接着するとともに、優れた層結合も備えており、カーボンファイバーを追加することで剛性と寸法安定性が向上します。別の会社であるプロトパスタは、トウモロコシの澱粉由来のプラスチックと炭素繊維の複合材である炭素繊維強化PLAを製造しています。

PLA はおそらく最も印刷が簡単で、ABS と PETG はより強力です。ナイロンは印刷が難しいですが、他の材料と比較して耐摩耗性が最高です。工業グレードの部品と競合する場合、PEEK が理想的な選択肢です。PEEK は最も強度が高く、熱、化学薬品、湿気に対して最も耐性があります。デスクトッププリンターに関しては、Markforged の装置はナイロンカーボンファイバー強化材料の製造にも使用できます。オービタル・コンポジッツ社も複合フィラメントを印刷できる装置を開発しており、宇宙空間の無重力状態で印刷する準備を進めている。

工業グレードのカーボンファイバー印刷

米国シリコンバレーのArevo Labsは、炭素繊維工業グレードの3Dプリンターを提供するだけでなく、3Dプリント用の新しい炭素繊維とカーボンナノチューブ（CNT）強化高性能材料も提供しています。さらに、独自の3Dプリント技術と専用のソフトウェアアルゴリズムを使用して、市場に出回っている既存のフィラメント溶融3Dプリンターを使用して、製品グレードの超強力ポリマー部品を製造することができます。

Arevo Labs は、複合材料を印刷するためのスケーラブルなロボットベースの付加製造 RAM マシンを発売しました。 3D Science Valley は、このプラットフォームが市販のロボットアーム、複合材堆積エンドエフェクタ、および包括的なソフトウェアスイートで構成されていると発表しました。

このソフトウェアは現在、ABB IRB 120 6 軸ロボットに特化していますが、スケーラブルなソフトウェアは、ロボットのサイズに応じて 1,000 立方ミリメートルから最大 8 立方メートルまでの印刷容量で、より大きな ABB ロボットモデルとサイズもサポートできます。

Impossible Objects の CBAM プロセスでは、カーボンファイバー、ケブラー、グラスファイバーなどのより強力な材料を 3D プリントに使用します。印刷された部品は、従来の熱可塑性材料を使用して印刷された部品よりも 2 ～ 10 倍の強度があります。独自の複合組成により、熱および化学腐食環境を含むさまざまな用途に合わせてカスタマイズすることもできます。

Impossible Objects の動作原理は、CAD ファイルが独立したビットマップレイヤーにカットされると、プリンターがビットマップモデルに従って複合材料のベースレイヤーに熱可塑性液滴を印刷します。次に、液滴によって付着していないベース材料の粉末が吹き飛ばされ、ビットマップモデルに従って形成されたバインダーと複合材料だけが残ります。

インポッシブル・オブジェクト社のCEO、ロバート・シュワルツ氏は、デスクトップマシンの10倍の速さで、毎分最大100メートルの速度で印刷できると考えている。現在のデバイスは、最大 12 インチ x 16 インチ (305 mm x 406 mm) まで印刷できます。さらに、3D Science Valleyは、Impossible Objects社の機器がまだテストと検証の段階にあり、2017年に正式に発売される予定であることを知りました。

EnvisionTec は、Impossible Objects の CBAM テクノロジーに加え、EnvisionTec の特許技術を中核技術とする SLCOM 1 3D プリンターを発売しました。

EnvisionTEC は、2016 年半ばに SLCOM™ 1 産業用複合材 3D プリンターを発売しました。SLCOM™ は、ガラス繊維織物、炭素繊維織物、またはその他の種類の強化アラミド繊維織物の加工に使用でき、ナイロン 6、ナイロン 11、ナイロン 12、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリカーボネート、その他多くの材料で強化できます。航空宇宙、自動車、消費者製品、スポーツ用品、医療などの潜在的な用途に向けた高品質の 3D プリント部品のカスタマイズ。これらの複合材料は、優れた靭性、耐候性、衝撃吸収性、不燃性、高い耐摩耗性、および高い強度対重量比を提供するようにカスタマイズできます。

エレクトロインパクトは、AFP（自動繊維配置）極薄カーボンファイバー層積層技術を開発しました。カーボンファイバー印刷装置は非常に洗練されていますが、非常に高価でもあります。この装置には、古いミシンの糸滑車に似た16個のデバイスを備えた6.4メートル（21フィート）の長さのロボットアームがあります。アーム全体は12メートルの長さのトラックに取り付けられており、モデルの周りを移動して高速印刷できるため、部品やプロトタイプの製造時間を大幅に節約し、コストを削減できます。使用されている材料は、強度と軽量性を兼ね備えたカーボンファイバーです。Antarctic Bear 3D Printing Networkにご注目ください。

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出典: 3Dサイエンスバレー

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