複合材料3Dプリント技術の開発と応用

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-8-21 16:51 に最後に編集されました

南極のクマの紹介:複合材料 3D プリントは、さまざまな業界での用途に適した新しい付加製造技術です。現在、主に使用される繊維は炭素繊維、ガラス繊維、ケブラーです。炭素繊維は優れた強度対重量比と高い剛性を備えているため、航空宇宙、自動車、建設などの業界での使用に適しています。グラスファイバーはコスト効率に優れ、さまざまな用途に適しています。ケブラー繊維は、強度と耐熱性に優れた耐久性に優れた繊維で、振動や摩耗の影響を受ける部品の製造に適しています。

複合 3D プリントの中核となるのは複合材料そのものです。複合材料は少なくとも 2 つのコンポーネントで構成されており、さまざまな業界の 3D プリントアプリケーションに適した特殊な特性を備えています。複合材料 3D プリント技術は近年ますます普及してきています。 Impossible Objects など多くの企業がこの技術を使い始めています。 2030年までに、複合3Dプリント市場は17億3,000万米ドル（約126億人民元）に達すると予測されています。

△複合材料の3Dプリントの発展は、航空宇宙、自動車、建設などの産業における革新と発展をどのように促進しましたか？これらの材料を 3D プリントに適用する場合の潜在的な課題と機会は何でしょうか?

△現在、航空機複合構造部品の大規模な3Dプリントが実現されている
炭素繊維強化材料

前述したように、炭素繊維強化材は複合材料の付加製造によく使用されます。 1860 年に化学者ジョセフ・スワンによって発明された炭素繊維は、相互に連結した炭素原子が束状に配置された結晶構造を形成し、優れた安定性を実現します。優れた強度対重量比（アルミニウムの 2 倍）で知られ、軽量でありながら強度の高い最終部品を作成するのに適しています。さらに、炭素繊維を注入した材料は、高い剛性、強力な引張強度、効果的な耐薬品性を備えています。

ただし、3D プリント技術を使用する場合、カーボンファイバーを扱う際には特別な考慮が必要です。たとえば、高品質の部品を確実に生産するには、硬化鋼製の印刷ノズルを使用することが重要です。同様の基準が、炭素繊維強化材と組み合わせたマトリックス材料にも適用されます。 PLA、PETG、ナイロン、ABS、ポリカーボネートなどのさまざまなマトリックスは、炭素繊維を追加することで、より強く、より軽くすることができます。これらの繊維は熱可塑性プラスチックと組み合わせるだけでなく、セラミックと混合することもできるため、新しい用途の創出に役立ちます。航空宇宙、自動車、建設などの業界はいずれも、炭素繊維ベースの複合材の独自の特性を生かしてその恩恵を受けています。

△モイコンポジッツ社が進水させたMAMBOボート
ガラス繊維強化複合材料

ガラス繊維材料は 1930 年に導入され、さまざまな熱可塑性ポリマーの強化材料として使用できます。適切なベース材料と組み合わせることで、ABS より 10 倍強度の高い部品を作成できます。炭素繊維複合材と比較すると、ガラス繊維複合材は剛性が低く、脆いです。これらの特性とコスト効率の良さにより、グラスファイバー複合材は非常に人気があります。ガラス繊維は優れた機械的特性を持ち、効果的な電気絶縁体として機能し、熱伝導率が低いです。この素材はさまざまな色があり、収縮率が低いため反りのリスクを最小限に抑えます。カーボンファイバーと同様に、ガラス繊維強化フィラメントは研磨性があり、この材料に適したノズルが必要です。

△ガラス繊維を使用して印刷された橋梁部品のプロトタイプガラス繊維強化 3D プリントフィラメントは、強力な機械的特性と熱弾性を必要とするエンジニアリングプロトタイプや最終アプリケーション部品にとって非常に価値があることが実践により証明されています。この複合材料は、建設から海洋、スポーツ用途まで、幅広く受け入れられています。注目すべき例としては、Moi Composites が Autodesk、Catmarine、Micad、Owens Corning と共同で、グラスファイバー 3D 印刷技術を使用して MAMBO ボートを作成したことが挙げられます。さらに、オランダの企業MX3Dはこの材料を使用して補強された橋を3Dプリントしました。

△ケブラー複合材料の3Dプリント
ケブラー補強

ケブラーはデュポンが所有する商標であり、1971 年にステファニー・クオレックによって初めて開発されました。アラミド繊維の一種で、最も耐久性に優れた素材の一つです。

この材料は、分子の長い鎖を結合するプロセスである重合によって得られます。ケブラー繊維は平行列に注意深く配置されており、それがその強力な特性の要因となっています。他の繊維と同様に、ケブラー繊維はさまざまなプラスチックと組み合わせて複合材料を作ることがよくあります。ケブラー繊維は、引張強度と疲労強度の点で優れた機械的特性を示し、主に強い振動を受け、耐摩耗性が求められる部品の製造に使用されます。特に、その強度対重量比は鋼鉄の 5 倍であり、400°C までの優れた耐熱性を備えています。

△3Dプリント自己充電電気自動車が2020年に発売
ケブラーには、低密度、多用途、均一な分子構造という特徴もあり、特殊な研磨を施した高品質部品の 3D プリントが容易になります。多くの業界でケブラー積層造形が採用されています。特に、自動車業界では、さまざまな部品の製造アプリケーションに価値を見出しています。注目すべき例としては、米国を拠点とする Aptera Motors 社がこの複合材料を使用して自動車部品を 3D プリントしたことが挙げられ、これは現代の製造業における強化材料の可能性を浮き彫りにしています。

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