武漢理工大学の Yang Lei 氏と華中科技大学の Yan Chunze 氏: 炭素繊維強化複合材の付加製造!

出典: 溶接科学

炭素繊維強化複合材料 (CFRC) は、金属や合金よりも強度対重量比と弾性率が高いため、自動車、航空宇宙、スポーツ用品、その他の産業分野で広く使用されています。付加製造された CFRC の革新により、高性能で低コストの複雑な複合構造の設計と製造に新たな道が開かれました。

最近、武漢理工大学の楊磊准教授チームと華中科技大学の閻春澤教授チームが協力し、「応用複合材料」誌に最新のレビュー記事「炭素繊維強化複合材料の付加製造：レビュー」を発表し、炭素繊維強化複合材料の付加製造について包括的に解説した。 Yang Lei准教授とYan Chunze教授が共同責任著者です。

この記事ではまず、炭素繊維の構造と基材の種類に応じて、既存の実現可能な技術とその主要要素をレビューし、熱溶解積層法 (FDM) と選択的レーザー焼結法 (SLS) による CFRC の積層造形に焦点を当てます。さらに、積層造形法で製造された CFRC の代表的な用途と概念について詳しく説明し、材料、装置、ソフトウェアなどの観点から既存の課題と問題をまとめます。今後は、先端材料、多重プロセス、先端設備、構造設計などに関するさらなる学際的研究が必要となり、ロボット支援積層造形やグリーン製造方法の研究空間が広がるでしょう。

図 1. 3 種類の異なる炭素繊維強化材と、それらに適用可能な積層造形プロセス。図2. シングル入力シングル出力熱溶解積層法による製造方法。
図3. インサイチュ含浸装置と原理：a マルチ入力シングル出力製造方法、b 同心チューブ付きプリンター
課題と問題点

従来の製造方法と比較して、積層造形は市場投入までの時間を短縮し、パーソナライゼーションを提供し、設計オプションを拡大する大きな可能性を秘めています。ただし、積層造形法で製造された CFRC の製造精度と柔軟性も、原材料、設備、経路計画アルゴリズムによって制限されます。

原材料に関しては、その後の積層造形を容易にするために、初期性能に優れた炭素繊維プリプレグを選択する必要があります。短炭素繊維プリプレグの製造プロセスは連続炭素繊維プリプレグの製造プロセスよりも簡単ですが、完成部品の機械的特性は連続炭素繊維部品に比べてはるかに劣ります。高性能連続炭素繊維プリプレグは、低多孔性、高樹脂カプセル化、均一な炭素繊維分散性を備えている必要があります。これまでのところ、文献で報告されている炭素繊維プリプレグは引張強度と弾性率によって評価されていますが、多孔性、樹脂のカプセル化、炭素繊維の分散などの特性については統一された定量的な基準がありません。

機器の場合、現在のガントリーシステムでは部品のサイズと複雑さが制限されます。さらに、自由堆積法では高密度部品の形成が困難です。そのため、ロボット支援による積層造形技術がますます注目を集めています。多自由度ロボットシステムにより、積層製造プロセス中に構築方向を変更できるため、サポートなしで曲線や張り出した形状を印刷できます。しかし、ロボット支援による積層造形においては、対処すべき重要な問題がいくつかあります。まず、市場で主流のスライスソフトウェアは、ロボット言語と互換性のある G コードデータを生成できないため、ロボット言語に適合したマルチモデルスライスデータを迅速に取得することが困難です。さらに、ロボット支援による積層造形は精度が低いため、部品の後続の加工や機械的特性に影響を及ぼす可能性があります。最後に、大型の物体を製造するには複数のロボットを同時に使用する必要がありますが、これにより調整の問題が発生します。

計画アルゴリズムに関しては、細胞構造の連続パスアルゴリズムに関する研究が数多く行われてきましたが、これらのアルゴリズムはすべての目的に適しているわけではありません。積層造形プロセスでは、部品の精度を制御するために、印刷パス内の大きな角や交差点を避ける必要がありますが、これらの要素は十分に考慮されていません。また、異種物体の場合、経路の各層の開始点をマクロ的にどのように設定するかも経路計画の重要な要素となるが、この点についてはまだ報告されていない。したがって、パス計画は、連続炭素繊維積層造形における重要な課題の 1 つであり続けます。連続炭素繊維積層造形をより柔軟にするために、さまざまな複雑な構造に使用できる一連の経路計画アルゴリズムを緊急に開発する必要があります。

今後の展望

1. 高品質、高含有量の炭素繊維プリプレグは、繊維プリプレグの開発方向です。原材料の品質は成形部品の性能に直接影響します。異なる CFRC 添加剤技術には、原材料に対する要件が異なります。炭素繊維プリプレグテープのプロセスと設備は成熟していますが、ATP、FDMなどのプロセスの炭素繊維プリプレグ材料はまだ完全には商品化されていません。さらに、現在の炭素繊維プリプレグフィラメントは、多孔度が高く、繊維含有量が低いため、低多孔度（1%未満）かつ高比含有量（50%以上）の高品質炭素繊維プリプレグが緊急に必要とされています。

2. プロセスパラメータの最適化は、今後の研究の焦点となります。高い機械的特性を備えた CCFRC 部品は、プロセスパラメータの最適な組み合わせなしには実現できません。これには、繊維経路の計画も含まれる必要があります。 CCFRC 積層造形プロセスにおける力、温度、繊維経路の影響を調査することで、部品の特性をより適切に制御できるようになります。

3. シミュレーション手法によるプロセスメカニズムの探究は、積層造形炭素繊維強化複合材料プロセス研究の発展方向です。その加工の中核は複合材料フィラメントにおける樹脂の溶融・固化成形プロセスであり、関連プロセス研究は単一因子または多因子の実験研究に重点を置いています。ただし、ATP、ロボットによる積層造形など、一部の積層プロセスは非常に複雑です。レーザー放射の影響により、樹脂は溶けて固まります。このプロセスでは、エネルギーの吸収、変換、伝達が行われるほか、樹脂の溶融流動場や外部圧力の影響も受けます。したがって、このプロセスをモデル化することは非常に困難であり、鍵となるのは、複数のフィールドを結合した熱流モデルを構築することです。

4. 付加製造 CFRC は、軽量構造設計と機能強化に使用できます。前者については、より多くの種類のハニカム多孔質構造を開発することができる。たとえば、標準的な六角形のハニカムは、基本的なハニカム形状から、切頂四角形、凹角六角形コア、キラルハニカムなどのバリエーションに進化しており、効果的な構造荷重サポートと熱管理のために機械的特性と熱的特性を組み合わせることが容易になっています。この格子構造により、炭素繊維部品の重量がさらに軽減され、機械特性をカスタマイズできるようになると期待されています。後者の場合、積層造形された部品に音響特性、熱特性、形状記憶特性などのより多くの機能を付与することができ、つまり 3D プリントから 4D プリントへと拡張されます。

5. CFRC の付加製造は、マルチマテリアル/勾配設計へと移行しています。現在、ほとんどの積層製造装置は、比較的均一な内部材料分布を持つ単一材料部品しか形成できません。ただし、連続炭素繊維の性能には明らかな方向性があるため、経路計画を通じて異なる充填戦略、異なる充填密度、または異なる充填材料を取得し、異なる性能を達成することができます。したがって、積層造形によるマルチマテリアル/傾斜設計の炭素繊維強化複合部品の製造は、将来的に重要な方向性となるでしょう。

要約すると、炭素繊維の付加製造はまだ初期段階にあり、多くの構造はまだ実現されておらず、さらに多くの機能はまだ探求されていません。これらの目標を達成するには、先進的な材料、スマートデバイス、精密プロセス、独創的な構造設計を統合することが大きな課題となります。

連絡先著者

楊磊（男性、工学博士、武漢理工大学准教授）は、長年にわたり「付加製造技術、設備、応用」の研究に従事している。プロジェクトリーダーとして、国家自然科学基金青年プロジェクト、国防前研究革新区、湖北省自然科学基金青年基金などのプロジェクトを主宰し、参加ユニットのプロジェクトリーダーとして、国家自然科学基金重点プロジェクト、湖北省重点研究開発計画などのプロジェクトに参加した。過去5年間で、国内外の学術誌に39本の論文を発表、Acta Materialiaなどの国際誌に筆頭著者または責任著者として20本のSCI論文を発表（うち2本のESI高引用論文）、3本の学術論文を発表、10件の発明特許を取得しました。

Yan Chunze 氏は、華中科技大学の二級教授および博士課程の指導者であり、教育部長江学者計画の著名な教授、湖北省百人計画の著名な教授です。現在は、国家材料成形および金型技術重点実験室の所長、教育部積層造形セラミック材料工学研究センターの所長、湖北省積層造形技術国際科学技術協力基地の所長を務めています。国際ジャーナル Smart Manufacturing、Journal of Micromechanics and Molecular Physics、Advanced Manufacturing の副編集者であり、Materials Science in Additive Manufacturing and Materials の編集委員でもあります。また、国家積層造形標準化技術委員会 (SAC/TC562) のメンバーであり、国際標準化機構 ISO/TC 261 積層造形標準化技術委員会のメンバーでもあります。国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、航空宇宙共同基金、工業情報化部の産業転換・アップグレード、湖北省・広東省重点科学技術特別プロジェクトなど、国家および省レベルのプロジェクトを主宰。主に粉末床溶融レーザー積層造形技術の研究に従事。積層造形複合粉末材料の溶媒沈殿調製法と大型シリコンカーバイドセラミック部品のレーザー選択焼結反応浸透複合一体成形法を提案。開発された積層造形材料と設備は、中国航天科技集団、中国航天科技集団で産業化・応用され、米国、英国、ドイツ、オーストラリアなどの国に輸出されている。彼は、Adv. Mater.、Acta. Mater.、Adv. Sci.、Nano Today、ACS Appl. Mater. Inter.などのジャーナルに、筆頭著者または責任著者として70件以上のSCI索引論文を発表し、6,000回以上のSCI引用があります。また、米国、日本、ヨーロッパ、ドイツ、ロシアで第一発明者として取得した14件の国際発明特許を含む74件の発明特許を取得しています。さらに、Elsevierによって出版された2件の英語モノグラフを含む、筆頭著者として8件のモノグラフと教科書を出版し、4つの国家標準の策定を主導/参加しました。当該成果は、国家技術発明二等賞（第2位）、国家科学技術進歩二等賞（第3位）、中国十大科学技術進歩（中核メンバー）、湖北省技術発明一等賞（第3位）、中国特許優秀賞（2件、ともに第1位）、湖北省特許金賞（第1位）、ジュネーブ国際特許金賞（第1位）を受賞した。

論文引用

Hu, Y., Lin, Y., Yang, L. 他「炭素繊維強化複合材料の付加製造：レビュー」Appl Compos Mater (2023)。

https://doi.org/10.1007/s10443-023-10178-w

武漢理工大学の Yang Lei 氏と華中科技大学の Yan Chunze 氏: 炭素繊維強化複合材の付加製造!

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