置き換えか統合か?伝統的な複合成形技術と3Dプリンティングが融合した革新的な道

出典: INTAMSYS

複合材料は金属材料と比較して、比強度、比弾性率が高く、設計の自由度が高く、全体的な成形が容易で、軽量であるなどの優れた特性を持っています。しかし、従来の複合材料成形プロセス（ワインディング、圧縮成形、プルトルージョン、オートクレーブ、樹脂トランスファー成形など）は、いずれも複雑な構造を有し、成形が難しく、開発の初期段階で型開きなどのプロセスが必要であり、初期の研究開発の進捗に重大な影響を及ぼします。複合材料を製造するための 3D プリント技術の探求は新たな技術トレンドとなり、従来の複合材料成形の限界を打ち破り、複合材料製造分野に大幅なコスト削減と時間短縮をもたらす変化をもたらすことが期待されています。

高性能複合 3D プリントには通常、短繊維/長繊維強化ナイロン (PA)、ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)、ポリエーテルケトンケトン (PEKK)、ポリエーテルイミド (PEI) などの材料が使用されます。 FDM 押し出し 3D 印刷プロセスは、複合製品の開発にとって重要な選択肢です。

△INTAMSYS 3Dプリントポリマー性能ピラミッド産業研究新材料研究所（徳州）有限公司は2021年1月に設立され、海洋複合材料、5G通信複合材料、先進複合材料成形プロセス、ハイエンド機器の分野で技術研究開発と成果の転換に重点を置く山東省レベルの「新研究開発機関」です。高性能材料産業用FDM 3DプリントソリューションのメーカーであるYuanzhu Intelligentとの協力を通じて、両者は複合製品部品の開発と応用に3Dプリント技術を使用する2つの道を共同で開発しました。

3D プリントは従来の複合材料成形プロセスを直接置き換えます<br /> 航空機エンジン用吸気マニホールドの開発は、新素材工業研究所の重要なプロジェクトでした。吸気マニホールドはエンジンシステムの重要なコンポーネントであり、その性能はエンジン全体の性能に直接影響します。インテークマニホールドの構造は非常に複雑で、開発過程では金型製作の難しさやコストの高さ、その後の振動溶接工程の煩雑さ、工期の長さなどの問題があり、製品の開発効率に重大な影響を及ぼします。

これらの問題を解決するために、徳州工業新材料研究所は初めて FDM 3D プリント技術を直接製造に利用しようと試みました。材料の性能、装置の機能、サービスサポートなどの観点から、さまざまなブランドの FDM 3D 印刷装置を調査および評価した後、最終的に Yuanzhu Intelligent の FUNMAT PRO 610HT 3D プリンターと PEEK-CF 複合材料を製品開発とアプリケーションに選択しました。

△FUNMAT PRO 610HT 3Dプリントインテークマニホールドと内部構造図
高性能材料 FDM 印刷装置である FUNMAT PRO 610HT は、主に PEEK、ULTEM、PPSU などの高温高性能熱可塑性材料の印刷に使用されます。ユーザーが開発した材料も含め、市場のほとんどの熱可塑性材料の印刷ニーズを満たすことができます。恒温チャンバーは高性能材料の印刷に優れた性能を発揮します。装置のノズル加熱温度は最大 500°C に達し、成形チャンバー温度は 300°C に達します。ほとんどのポリマー材料を溶融しながら、高温材料の反りのない印刷を保証します。

部品の最終的な3次元寸法は218.4×216.4×95.4mmです。徳州工業研究所の専門家とYuanzhu Intelligentのプロセスエンジニアによる共同開発と設計により、モデル構造設計（DfAM）が最適化され、印刷プロセスが調整され、次の最適化を実現できました。

体重30%減少
最終印刷製品の壁厚はわずか 1.7 mm ですが、従来の射出成形インテークマニホールド製品の厚さは約 3 mm であるため、航空機自体の重量が効果的に軽減されます。

±0.2mmの設置精度を満たす
部品の寸法精度は±0.2mmの範囲内で管理されており、インテークマニホールドの取り付け精度要件を完全に満たしています。

機械的強度が30%向上
製品の機械的強度は100MPaに達し、従来のPA66-GF製品よりも30%以上高くなります。

耐高温144℃
この製品は優れた耐高温性を備えており、144℃でも変形することなく長時間安定して使用でき、用途の上限が大幅に向上します。

△ファンマットプロ610HT
製造効率の面から見ると、この部品を従来の射出成形技術で開発した場合、金型コストは約20万元、金型開放サイクルは45日になります。 3D プリント技術を使用することで、製品は一体型に形成され、コストは従来のプロセスの 10 分の 1 に抑えられ、生産サイクルはわずか 4 ～ 7 日で済みます。

伝統的な職人技と3Dプリントを融合し、複合材料製造の新しい形を生み出す
3D プリントは、複合部品を直接製造するだけでなく、従来のプロセスと組み合わせて、2 つの技術間の障壁を水平に打ち破り、従来の技術では解決できない問題を克服することで、パフォーマンス、コスト、時間の面で最適なソリューションを実現し、価値を最大化することもできます。この革新的な目的に基づき、工業新素材研究所は国内トップクラスの大学と協力し、ロボット複合マニピュレーターを開発しました。

両者はまず、FUNMAT PRO 610HT 3DプリントPEEK-CF材料を使用して、ロボットアームの内部支持構造を一体的に形成しました。この部品構造は、サイズが大きく、曲面があり、比剛性が高く、比強度が高いという特徴があり、高性能の複雑な部品を製造する印刷装置の能力を十分に発揮しています。

△ロボット複合マニピュレーターのスライス図の後、工業新材料研究院は、プリプレグ積層を使用して3Dプリント構造の外側の炭素繊維を覆い、最終的に軽量で機械的強度の高い複合マニピュレーターを高速、低コスト、金型フリーの方法で製造し、アルミニウム合金に匹敵する構造強度効果を実現しました。

△ プリプレグを敷設した後のロボットアームの完成部品
3D プリントプロセスは、プリプレグ配置プロセスと組み合わせられるだけでなく、想像力の余地も大きく、従来の巻き取りプロセス、自動配置プロセス、成形プロセスなどのテクノロジーと組み合わせることができます。

一般的に、3D プリンティングは、製品部品の設計の直接製造と従来のプロセスの統合において画期的な進歩を遂げ、複合製品の製造効率の向上と製造コストの削減に大きく貢献しています。宜岩新材料研究所は、元竹との協力を通じて、工学革新における強みを発揮し、複合材料製品の設計、製造、応用開発における3Dプリント技術の大きな可能性を証明しました。

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