付加製造のトップ号: 新しい不連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料の付加製造!

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに：本研究では、高い繊維効率を持つ不連続リサイクル炭素繊維（rCF）強化熱可塑性複合材料の材料押し出し積層造形（MEX AM）のための新しいアプローチであるアングルフィード押し出し（AFE）を提案します。 AFE システムには 5 軸プリンターも統合されており、複雑な構造の製造が可能になります。繊維の形態と構造はX線コンピュータ断層撮影（μCT）によって特徴付けられ、AFEによって製造されたrCF複合材料の機械的特性は機械試験によって調査されました。結果は、AFE が、繊維分率、長さ、配向などの要素を含む高繊維効率の rCF 複合材料を製造する難しさを効果的に軽減することを示しています。さらに、AFE システムによって付加的に製造された rCF 複合材料の rCF 長さは 3.8 mm に達し、繊維体積率は 30.3% です。引張強度と弾性率はそれぞれ 178 MPa と 9.9 GPa です。短繊維強化複合材と比較すると、引張強度と弾性率はそれぞれ 90% と 254% 増加します。同様に、AFE 製の複合リングの圧縮テストでは、極限圧縮荷重が 80% 増加することが示されました。

材料押し出し積層造形法 (MEX AM) は、3D プリンターを使用してフィラメントで部品や構造物を製造するコスト効率の高い技術です。 MEX AM は複雑な形状の製造を実現し、ツールの制限を排除してコストと時間を節約できるため、炭素繊維強化熱可塑性複合材の製造に最適です。 Tekinalpらは、印刷された複合材料に対する異なる体積分率の影響を評価し、Suらは、体積分率が高いほど印刷された複合材料の機械的特性が効果的に向上することを示唆しました。さらに、フィラメントの製造プロセスと印刷プロセスの両方で繊維の長さが劣化することが観察されました。繊維配向は印刷された格子の幅によって影響を受け、印刷された複合材料の機械的特性に影響を与えることが報告されています。繊維の長さも複合材料の機械的特性を改善する上で重要な要素であると考えられています。繊維効率と総称される繊維の割合、配向、長さは、3D プリントされた複合材料の機械的特性に大きな影響を与えると報告されています。実験的研究によると、体積分率が 30% を超える印刷複合材料では一般に機械的特性が低下し、繊維体積分率の増加に伴う機械的特性の低下の主な原因は多孔性の増加であると考えられています。したがって、より長い繊維を使用した複合材料の付加製造には大きな可能性があります。

この研究では、rCF 複合材料の流動挙動をシミュレートするために、数値流体力学と離散要素法 (CFD-FEM) の結合モデルが開発され、rCF 熱可塑性複合材料向けにカスタマイズされた革新的な角度供給押し出し (AFE) システムが実現しました。新しく開発された AFE システムは、最大 3.8 mm の長さのファイバーを印刷できる技術的な進歩を表しています。予備的な結果によると、AFE システムを使用して印刷された rCF 強化ポリアミド 6 (rCF/PA6) 複合材料は、10 GPa という優れた引張弾性率を示します。さらに、包括的な機械試験と材料の微細構造の詳細な特性評価を通じて、AFE 繊維効率が rCF/PA6 複合材料に与える影響が検証され、AFE システムの可能性がさらに実証されました。

このテーマは、エディンバラ大学材料技術研究所、ノースイースタン大学冶金学院、中山大学先進製造学院の江武、郭鵬悦、張昊、田麦、張佳、李奥南、呂亜輝、張浩奇、楊東民らの学者らによって深く研究され、関連する研究結果は「高繊維効率のリサイクル不連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料の材料押し出し積層造形」というタイトルでAdditive Manufacturing誌に掲載されました。

リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 2400633X?via%3Dihub

図 1 CFD-DEM の結果は、この流れ場における 0 秒から 0.021 秒までの繊維の進化を示しています。印刷プロセス中に繊維と境界壁の相互作用を物理的に観察することは非常に難しいため、印刷プロセス中の複雑な多相流プロセスを再現するために数値シミュレーションが大いに期待されています。チームの以前の研究では、CFD-DEM モデルが確立され、ノズル内の繊維と壁の相互作用の研究にうまく使用されていました。 CFD-DEM の利点は、各繊維を監視し、流体の変形や影響を定量的に考慮できることです。

図 1a と b は、2 つの異なるノズルの 0.021 秒における繊維の状態を示しています。シミュレーションビデオは付録ビデオに含まれています。図から、45° ノズルで印刷された格子により、繊維がより適切に整列および分散され、繊維の方向が適切に維持され、明らかな繊維の破損がないことが明確にわかります。対照的に、90° ノズルを使用して印刷された格子は、繊維の明らかな配向不良と繊維の大きな変形を伴う、より悪く乱れた繊維状態を示し、繊維が破損する可能性があることを示しました。繊維の破損は、繊維に作用する力とその変形によって反映されます。これらの力が、押し出し時の繊維破損の原因となります。図 1c は、流動中に繊維が受ける平均的な力を示しており、90° ノズルの繊維は 45° ノズルの繊維よりもはるかに大きな力を受け、特にノズルとベッドが垂直に接触している 0.012 秒 (90° ノズルの場合は状態 I、45° ノズルの場合は状態 II) で大きな力が観測されたことがわかります。したがって、図 1d は、90° ノズルでの繊維の変形が 45° ノズルでの変形よりも大幅に大きく、繊維が 90° ノズルから完全に押し出されると変形が大幅に減少することを示しています。これは、ノズルとベッド間の垂直角度が繊維のスムーズな流れを妨げていることを明確に示しています。さらに、図 1e は流動中の繊維の配向を示しています。 0.021 秒で繊維がノズルから完全に押し出されると、45° ノズルでは繊維配向 axx は 0.95 に達しますが、90° ノズルでは axx は 0.77 に過ぎません。方向が 1 の値に近い場合、繊維が完全に整列していることを示します。シミュレーション結果によると、rCF/PA6 複合材料の印刷時の詰まりの問題は、ノズルとベッドの角度を変更することで効果的に軽減、あるいは解消できることがわかります。

図2
CFD-DEMシミュレーション結果によると、45°ノズルの設計は図2に詳細に説明され、示されています。ノズル出口はほぼ長方形に設計され、長さ1mmを超える繊維を押し出すために2mm×1mmのサイズでマイクロミル加工されています（図2b）。出口の面積は直径1.5mmの円形出口の面積に相当します。この変更は、印刷されるラスター幅を制御し、プリンターベッドへの堆積と接着を改善することを目的としています。ノズル出口の非テーパー断面は、繊維配向を維持するために不可欠であると考えられるため、そのまま維持されました。 AFE ベースの 3 軸印刷では、図 2a に示すように、ホットエンド全体を 45 度の角度で傾け、3D プリントされた固定具を使用して Prusa i3 MK3s プリンターにしっかりと固定しました。フィラメント送り角度をプリントベッドに対して 45° に調整することで、プリントベッドに対して 45° の角度を維持しながらフィラメントの方向を傾けます。プリンタノズルの向きの角度は 45° であるため、プリントベッドを回転させずに従来の 3 軸プリンタを使用して曲線パスを印刷すると、下の図 2c に示すような印刷エラーが発生します。これは、図 2c の位置 2 と 3 に示すように、押し出し物の流れが印刷された格子と逆方向になるためです。これにより、CFD-DEM シミュレーションで示されているように、ノズルの詰まりや繊維の破損が増える可能性があります。したがって、この問題を解決するには、5 軸プリンターを使用し、図 2f に示すように、押し出し物が常に印刷された格子に向かって流れるようにする必要があります。そこで、Open5xをベースに、図2dに示すようにAFEベースの5軸プリンターが開発されました。このシステムでは、XYZ 軸に加えて、ベッドを中心に 2 つの U 軸と V 軸が追加され、図 2d と e に示すように、ベッドを 2 方向に回転させることができます。 AFE ノズルを使用する場合、ベッドを目的の角度に回転させるだけで済みます (図 2e)。これにより、AFE システムが簡素化され、より複雑なパスや形状を印刷できるようになります。

図 3 この研究では、rCF/PA6 原料を製造するために 2 つの異なるリサイクル方法を使用しました。最初の方法では、マトリックスが除去された rCF マットを処理しました。2 番目の方法では、3D プリントされた CCF 複合サンプルをリサイクルして、繊維効率の高い rCF/PA6 ペレットを製造しました。
図 4 すべての rCF 複合材料の繊維長を図 4a に示し、長さ分布を図 4b、c、d、e、f、g に示します。
図5 図5. rCF/PA6複合材料の配向: (a) すべての印刷された試験片の印刷方向の繊維配向。参照: (I.) rCF-L [19]、(II.) rCF-M、および(III.) rCF-Hの縦断面。 (b) rCF-M 複合材料の繊維配向分布と (c) rCF-H 複合材料、(d) rCF-H 格子の繊維配向マップ。
図 6 rCF-H 複合材料の XCT 画像: (a) rCF-H フィラメントの形態、(b) rCF-H 試験片の形態、(c) rCF-H 複合材料の空隙の詳細。
図 6 では、印刷後、フィラメント内に観察された大きな空隙が印刷された格子内で除去され、結果として多孔性が減少することがわかります。しかし、高忠実度 XCT のビューサイズは比較的小さく、印刷された標本内のボイドは主に積層製造技術の欠陥によるものです。したがって、印刷された試料全体の空隙を観察するには、より大きなビューサイズを持つ低解像度の XCT を使用する必要があります。したがって、図 7b はすべての試験片の多孔度を示しており、rCF-M と rCF-H は rCF-L と比較して約 9 % に達する高い多孔度を示していることがわかります。これは、rCF-L の押し出し物の粘度が低いためであり、印刷プロセス中に格子間の隙間をより簡単に埋めるのに役立ちます。図 7a はフィラメント内の空隙を示しています。ここでは、押し出しプロセス中にサイズフィルムによって完全に含浸されなかった繊維の周囲に細長い空隙が形成されていると考えられます。前述のように、図 7c に示す小さな空隙領域は、繊維の破損後のブリッジ効果によって形成されます。印刷後、多孔性は大幅に減少しますが、印刷された格子で構成された試料の多孔性は増加します。これは主に、図 7d に示すように、格子と層の間の隙間によるものです。これは、AM プロセス中に生成されるグリッド間のギャップが解決する必要がある主な問題であることを示しています。さらに、印刷された格子には小さなサイズの孔も観察されます (図 7c)。元のプリンターで印刷された rCF-M 複合材料の多孔度が強調表示されており、15.5% に達しています。これは、図 7 b の AFE で製造された rCF-H の 9% よりも大幅に高くなっています。純正プリンターで印刷する場合、ノズルが詰まるとポリマーの押し出しが不均一で不安定になり、多孔性が増加する可能性があります。これは、AFE が rCF 複合材料の印刷品質を効果的に向上させることを示しています。

図 7 図 7. rCF 試験片の空隙含有量: (a) rCF-H フィラメント内の空隙、(b) すべての印刷試験片の多孔度、(c) 印刷された rCF-H 格子内の空隙、および (d) 印刷された rCF-H 試験片内の空隙。
図 8a および b は、印刷されたすべての rCF/PA6 複合材料の引張特性を示しています。図 9. 破面の SEM 画像: (a) rCF-L 試験片、(b) rCF-M 試験片、および (c) rCF-H 試験片。 2 つの複合材料のフラクタル形態には大きな違いはなく、どちらも明らかな繊維引き抜き現象を示しています。 rCF-Hにも同じ現象があり、rCF-HのSEM画像に示されているように、長い繊維全体ではなく、繊維の端の引き抜きに主に集中しています。

図10 印刷されたrCF/PA6リングの表面形態：（a）rCF-L、（b）rCF-M、および（c）rCF-H rCF複合リング。すべてのrCF/PA6リングの圧縮試験：（d）すべてのサンプルの極限圧縮荷重、（e）rCF複合リングの圧縮試験の代表的な応力-ひずみ曲線。
図 10d は、圧縮試験中のすべての複合リングの機械的特性を示しています。 rCF-M および rCF-L と比較すると、rCF-H 複合リングは、破損時の極限荷重が 450 N と大幅に高く、rCF-L リングより 80% 増加しました。さらに、図 10e は、剛性が増加すると破壊ひずみが減少するものの、繊維効率が 0.226 で最も高いため、rCF-H の剛性が最も高いことも示しています。圧縮荷重を受けると、複合リングの内周は圧縮され、外周は伸張されます。したがって、この試験は複合材料の総合的な機械的特性をよりよく反映することができます。これは、繊維効率の向上により、AFE ベースの 5 軸印刷システムで印刷された複合材料の総合的な機械的特性が効果的に向上することを示しています。

図 11 rCF/PA6 複合材料のデモンストレーション: (a) 湾曲したトラスと (b) 薄壁の円錐台 AFE 印刷システムの多用途性を実証するために、図 11a に示すように湾曲した多孔質トラスを製造しました。この研究では、角度供給押し出し (AFE) と呼ばれる新しい技術を概念化し、実装し、高い繊維効率で rCF/PA6 複合材料を付加的に製造できることを実証しました。 3D プリントされた不連続 rCF 複合材料の機械的特性に対する繊維効率の影響を分析しました。以下の結論が導き出されました。

（１）AFEは、体積分率30.3％を維持しながら最大繊維長3.8mmに達する高繊維効率のrCF/PA6複合材料を製造することに成功した。

（２）繊維方向は繊維の長さ、繊維含有量、格子幅によって影響を受ける。したがって、ノズルのサイズとラスター幅を制御しながら繊維の長さを維持することで、積層造形プロセス中の繊維効率を効果的に向上させることができます。

（３）繊維効率は、積層造形されたrCF/PA6複合材料の機械的特性に大きな影響を与える。繊維効率の高い rCF/PA6 複合材料は、大幅に向上した機械的特性を示しました。繊維効率が最も低い rCF/PA6 複合材と比較すると、引張強度と弾性率はそれぞれ 90% と 254% 増加しました。しかし、長い繊維（長さ 3.8 mm など）を使用して積層製造された rCF/PA6 複合材料は、破損時に層間剥離を起こしやすくなります。

（4）AFEシステムを5軸プリンターに統合することで、rCF/PA6複合材料の製造柔軟性が向上し、3Dの複雑な形状とカスタマイズされた繊維レイアウトを備えた複合構造の印刷が可能になります。

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