革新的な製造：複合材料における 3D 印刷技術の現状とブレークスルー

出典：中国複合材

3D プリント技術は、製造業、特に複合材料の応用において革命的な進歩です。この技術は、層を積み重ねることで複雑な形状の部品を正確に印刷できます。主な技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、選択的レーザー焼結 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM) などがあります。この研究は、3D 印刷における連続繊維強化熱可塑性複合材料 (CFRTPC) の応用に焦点を当て、オンライン含浸やオフライン含浸などのさまざまな印刷技術が製品の機械的特性を改善する効果を明らかにしました。同時に、マイクロ波加熱印刷や超音波支援 3D 印刷などの新興技術は、印刷速度と製品品質の向上に大きな影響を与えます。最後に、この文書では、複合 3D プリンティングの将来の開発動向を展望し、製造における潜在的な用途と課題を指摘しています。

3D プリンティング技術は、複雑な精密部品を迅速に加工・製造し、金型を使わずにパーソナライズされた生産を実現できる積層製造方法です。 3Dプリント技術は、従来の減算製造とは異なり、3次元モデルをスライスし、事前に設定されたパスに従って層ごとに積み重ね、最終的に目的の製品を準備します。この成形技術は、部品の生産サイクルを効果的に短縮し、材料の利用率を向上させ、製造コストを削減できます。従来の成形方法の技術的障壁を打ち破り、一体型の複雑な部品を準備します。特に、複雑な部品の小ロット製造や商品化前の部品の設計最適化において、3Dプリント技術は大きな市場競争力を持っています。

現在、3D 印刷技術は比較的成熟しており、多くの種類があります。一般的な 3D 印刷技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、選択的レーザー焼結 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM) などがあります。その中でも、FDM 3D 印刷技術は、設備や印刷材料のコストが低く、準備手順が簡単で、さまざまな材料の印刷が可能であるため、現段階で市場で最も広く使用されている 3D 印刷技術の 1 つであり、非常に幅広い応用展望を持っています。

ポリマー 3D 印刷技術は、印刷コストの低減、エネルギー消費量の削減、大型化、印刷速度の向上に向けて発展しており、3D 印刷が徐々に大量生産に移行し、従来のプラスチック製造プロセスと競合できるようになります。現在、粉末床プロセスは最初にプラスチック部品の大量生産に適用されており、より効率的なSLSシステムと低コストの小型焼結システムが継続的に導入され、印刷効率の向上と設備コストの削減が図られています。 DLPやCLIPなどの高速光重合技術の応用により、光重合3Dプリントは徐々に最終部品の小ロット生産へと移行できるようになりました。これに基づいて、エネルギー消費量が少なく部品の性能が高い光重合プロセスが研究の焦点となっています。高性能エンジニアリング材料に使用される材料押し出し3Dプリントプロセスが成熟し、高速で大規模な材料押し出し3Dプリント装置が応用・開発されました。

技術ステータス

連続繊維強化熱可塑性複合材 3D 印刷技術<br /> 繊維強化熱可塑性樹脂複合材は、印刷製品の機械的特性をある程度向上させることができますが、短繊維の比表面積が大きく、繊維と樹脂マトリックスの相性が悪いため、両者の間に隙間が生じやすく、複合3D印刷製品の性能向上が制限されます。 3Dプリント製品の機械的特性をさらに向上させるために、研究者たちは短繊維を連続繊維に置き換え、3DプリントされたCFRTPC複合材料の研究に重点を置きました。磯部らは、ポリ乳酸をマトリックスとして、多層カーボンナノチューブ、短炭素繊維、連続炭素繊維を強化材として使用して 3D プリント複合フィラメントを作製し、3 つの機械的特性を調査しました。結果によると、連続炭素繊維強化複合材料、短繊維強化複合材料、粒子強化複合材料の引張強度と弾性率はそれぞれ341MPaと10GPa、47MPaと2GPa、53MPaと3GPaに達し、連続繊維強化複合材料の機械的特性がより優れていることがわかりました。

現在、連続繊維強化熱可塑性複合材料（CFRTPC）のFDM 3Dプリント方法は、主にオフライン含浸法とオンライン含浸法に分けられます。オンライン含浸法とは、CFRTPCの3D印刷プロセス中に、樹脂マトリックスフィラメントと連続繊維束がそれぞれプリンターの対応するワイヤ供給機構から加熱ブロックに入り、樹脂マトリックスが加熱されて溶融し、連続繊維束が加熱ブロックからノズルまでのホットランナー内でオンラインで含浸されることを意味します（図を参照）。オフライン含浸法とは、事前に溶融含浸プロセスを経て、3Dプリンターに適したCFRTPCプリプレグフィラメントを準備することを指します。プリプレグフィラメント成形プロセスでは、張力のかかった連続繊維束に含浸金型内の溶融樹脂の高圧をかけ、連続繊維束に樹脂を完全に含浸させます。最後に、冷却されて成形されたプリプレグフィラメントをプリンターに送り、3Dプリントプロセスを完了します。

図1 FDM 3Dプリント方式
シングルノズル 3D プリント技術<br /> マイクロ押出機は、FDM 3D印刷装置に取り付けられています。図に示すように、押し出されたプラスチック溶融物は含浸金型に注入され、高圧の作用下で金型内の張力を受けた連続炭素繊維束に浸透し、最終的にダイを通して引き出され、印刷ノズルに直接供給されてCFRTPCの3D印刷が完了します。異なる繊維含有量のCCF / PA12複合3D印刷製品の多孔度と機械的特性の変化を比較します。実験結果によると、炭素繊維規格3KのCCF/PA12複合材料で作られた3Dプリント製品の多孔度はわずか2.62%で、引張強度、弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率はそれぞれ735MPa、79GPa、772MPa、85.3GPaに達します。

連続繊維強化複合材料の3D印刷の生産効率を向上させ、CFRTPCの従来の3D印刷の速度が遅い問題を解決するために、3Dマイクロ波加熱印刷方法を提案します。従来のプリンターの抵抗加熱の代わりに、マイクロ波瞬間加熱を使用します。樹脂はノズル内で瞬時に溶けるため、連続繊維強化複合材料の印刷速度が大幅に向上します。印刷速度20mm / sのマイクロ波加熱印刷製品の機械的特性と、印刷速度5mm / sの従来の加熱印刷製品の機械的特性を比較します。結果によると、20mm / sのマイクロ波加熱高速印刷では、製品の平均引張強度は358MPaであるのに対し、従来の加熱方法で印刷された部品の引張強度はわずか303MPaです。マイクロ波3D印刷は、CFRTPC複合材料の3D印刷速度を向上させると同時に、複合材料製品の機械的特性も向上させます。

図に示すように、ノズル構造を改良し、ノズルの側面に圧力穴を導入することで、ノズル内の溶融物の粘度、圧力、温度をリアルタイムで監視し、3Dプリントの安定性を確保できます。有限要素解析を通じてさまざまなノズル構造を研究し、さまざまな条件が印刷製品の品質に与える影響を研究し、ノズル構造を調整してバイオマテリアル印刷の寸法制御性を実現しました。ノズル構造が複合 3D プリント製品の性能に与える影響を研究しました。その結果、ノズルのエッジ幅が広くなると、製品の表面品質と機械的特性が向上することがわかりました。

図2 シングルノズル3Dプリント技術
マルチノズル3Dプリント技術の研究の進歩

マルチノズル 3D プリンターの登場により、シングルノズルプリンターで印刷する際に発生する問題が効果的に解決され、3D 印刷技術の応用範囲が拡大しました。図には、マルチノズル FDM 3D 印刷装置の 2 種類、マルチ材料シングルミキシングノズルとマルチ材料マルチノズルが示されています。ABS、HIPS、PLA などの従来の印刷材料を使用して、異なる材料層を持つ引張試験片を準備します。テスト結果を使用して、異なる材料を印刷する場合の 2 つのマルチノズル 3D 印刷装置の長所と短所を比較します。結果は、高性能材料を印刷する場合、シングルミキシングノズルの方が一貫性が高いことを示しています。

図3 マルチノズル3D印刷技術企業はデュアルノズル3Dプリンターを使用しています。2つのノズルは独立して動作できます。1つのノズルはPA樹脂の印刷に使用され、もう1つのノズルは連続繊維強化ナイロンプリプレグの印刷に使用されます。繊維層はコア層であり、ナイロン層は表面層です。サンドイッチ構造を準備し、異なる印刷材料が印刷サンプルの機械的特性に与える影響を比較して分析します。結果は、CFRTPC スプラインが純粋な PA スプラインと比較して優れた機械的特性を示すことを示しています。従来のFDM3D印刷装置を改良し、デュアルノズル印刷システムと冷却プラットフォームを追加することで、プリンター装置のハードウェアとソフトウェアが改善され、印刷プロセス中のハイドロゲルの温度と流量の正確な制御が実現され、速度の変化や方向の変化による印刷材料の溢れを回避し、印刷製品の成形品質を確保します。マルチノズル3Dプリンターを設計しました。印刷装置は、図に示すように5つのノズルで構成されています。3D印刷中に、5つの異なる色または異なる種類の原材料を同時に使用できます。原材料を変更するために機械を停止することなく、マルチカラーまたはマルチマテリアルの3D印刷製品を準備できます。プリントヘッド部分は2つのサーボモーターで駆動され、印刷装置の印刷速度をさらに向上させることができます。

図4 ノズル3Dプリント装置
超音波3Dプリント技術の進歩
2015年、ドイツのIndmatec社は、高温ポリマー向けの初のFDM 3DプリンターであるHPP 155 PEEK 3Dプリンターを発売しました。このプリンターは、最高420℃の温度に対応するフルメタルホットエンドを備えており、PEEKなどの高融点・高粘度ポリマーを加工できます。

MIT はまた、レーザー支援加熱とネジ機構付きプリントヘッドを使用して温度をより適切に調節し、流量を増加させるレーザー支援 FDM 3D プリンターも開発しており、これにより印刷速度が通常の FDM プリンターの 10 倍高速化されます。現在、3Dプリント技術の非常に重要な研究内容と開発方向は複合材料の3Dプリントであり、多種多様な高性能熱可塑性複合材料の3Dプリントを実現し、最高の印刷効果を得ることに取り組んでいます。

ロシアのアニソプリントは、国際的に先進的な連続繊維3D印刷技術であるデュアルノズル複合繊維共押し出し（CFC）技術を開発し、生産規模のCFCシステム「アニソプリントProMIS 500」を発売しました。この技術では、FFF 成形に 1 つのノズルを使用し、カーボンまたは玄武岩フィラメントの共押し出しに別のノズルを使用します。 CFC 強化複合材料は、繊維体積比が高く、多孔性が低く、接着性が良好で、機械的特性に優れています。

アメリカの企業であるデスクトップメタルは、マイクロ自動繊維置換（マイクロAFP）技術を提案し、Fiber HTとFiberLT 3Dプリンターを開発しました。 Fiber LT モデル 3D プリンターは、炭素繊維 (CF) またはガラス繊維と組み合わせた PA6 を印刷でき、HT モデルは、CF またはガラス繊維と組み合わせた PEEK またはポリエーテルケトンケトン (PEKK) を印刷できます。この技術により、繊維の方向を制御し、1% 未満の多孔度と最大 60% の繊維体積比を実現できます。

最新の研究では、超音波アシストによるCFRTPCの3D印刷用の3D印刷装置が開発されました。図に示すように、連続繊維束は熱可塑性樹脂溶融物で満たされた容器を通過し、テンションローラーによって張力をかけられます。超音波の作用により、樹脂は連続繊維束に浸透するように促進されます。最後に、含浸された連続繊維束がダイを通して形成され、3D印刷によってCFRTPC複合製品が作成されます。研究結果によると、超音波処理なしの印刷製品と比較して、超音波処理後の複合3D印刷製品の引張強度と曲げ強度はそれぞれ34％と29％増加しました。

図5 超音波支援によるCFRTPCの3Dプリント
今後の動向

さまざまな業界での応用分野の拡大と製品性能要件の向上に伴い、単一の材料で作られた3Dプリント製品は、現在の市場の需要を満たすことができなくなりました。複合材料のFDM 3Dプリントは、3Dプリントの開発トレンドになります。現在、短ガラス繊維または短炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を原料とする3Dプリント技術は比較的成熟しており、短繊維強化熱可塑性複合材料の3Dプリント製品の機械的特性は、単一の樹脂材料で印刷されたものと比較して大幅に改善されています。ただし、機械的特性の改善の余地は限られています。近年、高強度CFRTPCの3Dプリント成形技術は、多くの学者の研究ホットスポットとなっています。しかし、3DプリントされたCFRTPCには、表面品質が悪い、界面の結合強度が低い、多孔性が高いなどの問題があり、CFRTPC複合材料の機械的特性の向上が制限され、CFRTPC 3Dプリント製品のプロセス適用と開発が制限されます。 FDM3D 印刷製品の界面結合効果をさらに改善して機械的特性を向上させること、および印刷製品の表面効果を改善して成形品質を向上させることは、CFRTPC3D 印刷技術において緊急に取り組む必要がある重要な課題となっています。本論文では、短繊維強化PA6複合材料と自家製CGF/PA6プリプレグをそれぞれ上下表面層とコア層の印刷材料として使用し、優れた表面品質と高性能を備えた「サンドイッチ」構造の複合3Dプリント製品を準備するために、デュアルノズル3Dプリント技術の使用を試みることを提案しています。同時に、超音波振動装置を紹介します。超音波の振動と熱効果に基づいて、溶融堆積界面のポリマー分子鎖に対する超音波周波数の作用メカニズムを研究し、複合材料の表面品質と層間結合強度を向上させます。関連する応用研究は、CFRTPC 複合材料の 3D 印刷技術の発展を促進する上で重要な理論的指導的意義を持ち、構造複合材料の分野での 3D 印刷 CFRTPC 複合材料の応用を拡大することができます。

概要<br /> この記事では、3D プリント技術と複合材料におけるその応用について詳しく説明します。 3D プリンティング技術は、その高い効率性と精度、そして複雑な形状の精密部品を製造できることから、製造業において重要な技術となっています。その中で、ステレオリソグラフィー (SLA)、選択的レーザー焼結 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM) が最も一般的な 3D 印刷技術です。焦点は、オンライン注入法とオフライン注入法を含む連続繊維強化熱可塑性複合材料 (CFRTPC) の 3D 印刷方法と、これらの技術が製品の機械的特性の向上にどのように貢献するかにあります。マイクロ波加熱印刷や超音波支援 3D 印刷などの新しい技術は、印刷速度と製品品質を効果的に向上させることが実証されています。ノズル技術の改善が製品の精度と品質の向上に与える影響についても説明します。今後の動向のセクションでは、予測面では特に界面接合強度と表面品質の向上の重要性を強調しています。最後に、今後の研究では材料の多様性、生産効率、環境の持続可能性に焦点が当てられることが指摘されています。一般的に、複合材料分野における 3D プリントの応用は大きな可能性と課題を示しており、製造業の将来の発展方向を告げています。

参考文献:
[1] Wang X、Jiang M、Zhou Z、et al. ポリマーマトリックス複合材料の3Dプリンティング：レビューと

将来[J].複合材料パートB：エンジニアリング、2017、110：442-458。

[2]Heidari-Rarani M、Rafiee-Afarani M、Zahedi A M.連続炭素繊維強化PLA複合材料のFDM 3Dプリントの機械的特性[J]。複合材料パートB：エンジニアリング、2019、175：107147。

[3] 国際A.付加製造技術の標準用語。2013年。

[4] Li Xiaoli、Ma Jianxiong、Li Ping、他「3Dプリンティング技術とアプリケーションの動向[J]」Automation Instrumentation、2014(01):1-5。

[5] Melchels FPW、Feijen J、Grijpma D W. ステレオリソグラフィーとバイオメディカルエンジニアリングへの応用に関するレビュー[J]。バイオマテリアル、2010、31(24):6121-6130。

[6] 趙光華、劉志涛、李耀堂。ステレオリソグラフィー3Dプリンティング：原理、技術、アプリケーション、新たな進歩[J]。機械電気工学技術、2020(8)。

[7] Liu Zhenying、Li Lei、Yang Weijing、et al。選択的レーザー焼結プロセスに影響を与える要因[J]。プラスチック産業、2021、49（11）：6。

[8] Gazzerro A、Polini W、Sorrentino L. PA12の選択的レーザー焼結に関する調査：寸法精度と機械的性能[J]。ラピッドプロトタイピングジャーナル、2021年。

[9] 陳翔明、姚廖軍、郭立成、他「3Dプリント連続繊維強化複合材料の現状レビュー[J]」Acta Aeronautica Sinica、2021、42(10):25

革新的な製造：複合材料における 3D 印刷技術の現状とブレークスルー

医療用 3D プリントの中国ストーリーを明らかにします。 CCTVドキュメンタリー「国家の柱」第4話「自然の搾取」

AddUpとUniformity Labsが協力して3Dプリントチタンの生産性を向上

D3-AM 革新的なマイクロパーティクルジェット 3D 印刷技術が高性能セラミック部品の生産を促進

もう一つの重たい3Dプリント服、南極クマは美的感覚が完全に崩壊したと語った

華翔メディカルの多孔質椎体固定装置（胸椎および腰椎用人工椎体）がNMPAにより販売承認を取得

TÜV SÜDイベント：業界リーダーが協力して積層造形の産業化に取り組む

角膜輪部幹細胞を用いた欠損角膜構造の再生のための 3D プリントされたバイオニック二重層角膜輪部インプラント

工業情報化部：「第一期重点技術設備の推進と応用に関するガイドライン」に4つの付加製造設備が選定される

SPEE3Dの新しいモバイル「生産コンテナ」がFormnext 2024で発表され、金属部品の現場での迅速な生産が可能に

マテリアライズが3つの新しい産業用3Dプリント材料、PA11、PA12S、PA-CFを発売

推薦する

ポピュラーサイエンスコミック | カスタマイズされた 3D プリント整形外科用医療機器

マテリアライズが3Dプリントデザインコースを開始。マスターになりたいなら見逃せない

EOSは、引張強度1265MPa、高温動作1,700度のニッケルベースの新しい超合金材料2種を発売

ポリライトの薛雷：金属3Dプリントの技術革新に焦点を当て、多くの研究が国内のギャップを埋めてきた

「大国のマテリアル：3Dプリンティング」の予告編が到着！創造の手が大国のインテリジェントな製造を強力にサポート

耐えた！ 3Dプリント住宅がマグニチュード9の地震に耐える

光硬化型 3D プリントにはスクレーパーは不要です。鵬吉光電が「沈没型LCD光学機」を発売

分析 | 溶融フィラメント製造（FFF）印刷PEEKプロセスの研究

研究者らが臓器作製のための高速3Dプリント技術を開発

ペンシルベニア州立大学のチームが3Dプリント軟骨組織を開発

何をすればいいのかわからないまま専門学校に入学、スキルモデルから起業家のパイオニアへ、90年代以降の男の「3Dプリントの夢」

カリフォルニア大学の「直接音響印刷技術」は、人体の内部に直接外科用インプラントを3Dプリントできる。

3Dプリントと流体シミュレーションおよび最適化技術を組み合わせることで、ソレノイドの設計と製造が可能になります。

なんて大騒ぎでしょう！交尾して出産できる3Dプリントロボットは10年も前から存在しています。

上海交通大学医療3Dプリントイノベーション研究センター日照支所が設立されました