羅孟：連続繊維複合材3Dプリント技術の開発と応用動向

2024年付加製造産業発展フォーラムおよび付加製造産業年次会議フォーラムにおいて、深圳協創高科技開発有限公司副総経理の羅孟氏が「連続繊維複合材3Dプリント技術の開発と応用動向」と題する報告を行いました。

＜連続繊維複合材3Dプリント技術の開発と応用動向＞
羅孟：専門家の皆様、ゲストの皆様、こんにちは！
今日は、これまで聞いたことのないトピックとレポートである連続繊維についてここで共有できることを非常に嬉しく思います。実は、現在、私たちの業界で積層造形において最も議論されている話題は、金属、あるいは先ほど馬さんがおっしゃった非金属の分野です。連続繊維に代表される、高強度で軽量という優れた特性を持つ非金属材料は、このような場やもっと主流の舞台に登場することはめったにありません。
過去10年間の発展の中で、連続繊維は本当にすべての人の視野に入りました。少しずつ火花が散り、中国では現在の状況に至り、独自の設備、材料、ソフトウェアで世界に新しい世界を創造できるようになりました。
本日のレポートは非常に広範囲にわたるため、時間の制約により、簡単に説明する必要があるかもしれません。レポートは 4 つの側面をカバーします。まず、連続繊維の開発背景、技術と産業の発展状況、そして我が国における連続繊維の現在の知的財産権の分析、そして最後に、我が国の連続繊維複合材 3D プリントの今後の発展はどこにあるかです。
まず、積層造形の背景、全体的な背景は、すでに上級専門家によって語られており、誰もがよく知っている積層造形の特徴も含まれています。実際、米国防総省や海外の企業が大量の積層造形材料とサンプル参照を持っているという事実についてお話ししたいと思います。これらの使用プロセスには、精密な修理と修復を実現するための大量の3Dプリント修理キットが含まれています。同時に、3Dプリントされた航空宇宙部品に代表される軽量製造端末製品を全面的に推進しています。3Dプリント航空宇宙グレードの複合材料は、材料の限界に挑戦する非常に中国的かつ西洋的な方法となっています。
たとえば、当社の複合材料は複合材料であるため、複数の材料を統合する必要があります。繊維部分の中核はカーボンファイバーです。非金属ボディ部分には、ESD材料を使用し、カーボンファイバーと全体的に複合しています。機械的特性、耐高温性、耐腐食性など、非常に優れた結果を達成でき、高真空、熱サイクルなどのいくつかの極端なテストに耐えることができます。
左上隅に示すように、予測データがあります。米国の複合材積層造形に関する公式データによると、複合材積層造形は2023年に全体の市場規模が7億8,500万米ドルに達し、これには機器や材料などのハードウェアと端末サービスの3つの主要な構成要素が含まれます。機器とハードウェアは依然として最も高い割合を占めており、この割合は増加し続けているため、予測データによると、2033年にはハードウェアとサービスは基本的に同じになり、データ比較ではそれぞれ29億3,600万米ドルと29億2,800万米ドルになります。
米国には3Dプリントを手掛ける会社があり、これは多くの応用シーンに広がっており、中国でも早急に推進し、習得する必要があるポイントでもあります。この写真は馬氏のレポートにも記載されています。技術浸透率は0.1％未満です。これはサードパーティの業界レポートであり、業界関係者にもよく知られています。工程内で成形するという特徴を打破し、小ロット、カスタマイズ、複雑な構造を開発しています。これらはすべて3Dプリントのステレオタイプです。端末に真に浸透するには、端末製品と直接組み合わせる必要があります。前回のレポートに良い用語がありました。以前は大量生産と呼んでいましたが、今は徐々に大量生産から大量カスタマイズへと移行しています。この発展の道筋は非常に興味深いです。
当社は航空宇宙、鉄道輸送などの分野で複合材料の研究を続けており、新しいプロセスと新しい材料システムが徐々に改善され、国内のアプリケーションに継続的に反映されています。複合材料の使用は、現在の重要な産業機器の進歩を測る中核的な基準の 1 つになっています。
たとえば、従来の複合材料製造では、いくつか挙げましたが、金型製造や勾配などの特性を排除することは困難です。したがって、ここでの連続繊維 3D プリントは代替品ではなく、補足品です。主な補足品は何ですか?熱可塑性複合材などの需要点については、リサイクル、溶接、複雑な構造形成、金型の回避、グラデーション成形などの特徴を備えた高度な製造およびプロセス方法の体系的な調査が実現されます。
2014年、西安交通大学の私たちのチームは、中国で独自の連続繊維材料3Dプリントプロセスを持つことができるかどうかを提案しました。当時、この最も基本的で独創的な図を見るのは非常に簡単でした。プロセス中の温度制御と圧力を通じて、熱可塑性樹脂材料と繊維をリアルタイムで分散および配置し、プロセス成形を実現して3次元実体を形成しました。実際、このプロセスでの速度は非常に遅く、繊維含有量は比較的低かったです。このような比較的単純なプロセスのアイデアでも、非金属材料、特にプラスチックの分野での機械的特性は、最も初期の数百メガパスカルのレベルから300〜400に、そして現在ではギガパスカル以上に増加しました。
この過程で、技術開発と調整には3つの側面がありました。1つ目は、当社の材料成形分野で、当社独自の短繊維強化材料から連続繊維への発展です。当社の複合材料技術は、以前の直接複合接合から直接印刷へと発展しました。成形に使用する3番目の方法。複合材料の全体的な進歩について簡単に紹介したいと思います。まず、マルチインターフェース形成とマルチプロセス相乗強化メカニズムを実現しました。最大含有量は60％を超え、最大機械的強度はギガパスカルを超えています。また、このギガパスカルの機械的特性は最良の機械的特性ではなく、改善の余地が大きく、これは、従来製造されている多くの複合材料の機械的特性要件に絶えず近づいていることを意味します。
3 つ目の方法は、複雑な構造を持つ連続繊維を多自由度で印刷する方法です。この方法では、このような平面積層法によってもたらされる、強化機械特性が極端に劣るという問題をマクロ的な観点から脱却し、良好なソリューションを提供できるという点が非常に重要なポイントです。このプロセスでは、たとえば、構造のトポロジー、繊維の曲線設計、表面または曲線上の繊維の成形を通じて、設計側から製造側まで三位一体を形成することができます。
いくつかのセルユニットの設計やファイバーの内部配置を含むこのような設計は、メソスコピックからマクロスコピックに拡張することができ、最終的には、等方性とは言えず、複数の方向で過度の異方性を回避する、将来の特定のアプリケーションに効果的なシールドを形成します。
これは、連続繊維に関する研究グループの非常に重要な研究方向であり、メタマテリアルとメタ構造のインピーダンス疲労、および伸長に関する研究も含まれます。積層造形による連続繊維印刷と短繊維印刷には、材料の利点を十分に発揮できるだけでなく、構造プロセスにおける究極の性能要件を実現できるという大きな特徴があります。
これは別の探求であり、翼のセンシング、変形検出、予防制御に関する研究です。ここでの主な成形方法は、当社の連続繊維を使用して本体成形を行うことです。さらに、複合材料、特に連続繊維印刷にも適応できます。現在、平面と曲面のソフトウェアアルゴリズムとインターフェイスを開発しており、先ほど述べた平面印刷のパスプランニングを実現するとともに、曲面印刷のパスプランニングアルゴリズムの研究も行っています。
これまで、大学段階から企業段階まで、研究レベルで多くの探究を行ってきました。企業側では、印刷温度が200℃以下のPLAから400℃を超える高融点樹脂まで、あらゆる樹脂をカバーし始めており、成形効率、内部欠陥制御、成形安定性が大幅に向上しました。
印刷速度、総合的な機械特性、温度の精密制御という3つの問題について議論し、研究を進めて産業化の段階を進めていたとき、実は、当社の顧客、特に国内の連続複合材の顧客は、常に上記の3つの問題について議論していました。以下の3つの問題は結論であり、上記の3つの問題は上限を表しています。つまり、材料ソフトウェアのオープンソース、材料のカバー率、上流の国内材料の適応性です。結局のところ、部品と材料の両方のローカライズ率は非常に重要な問題です。 2014年から2017年にかけて、いくつかの研究プロトタイプを市場に投入し始めました。 2020年まで、私たちは陝西省のこの地域の産業を深セン協同イノベーションハイテク開発有限公司に集中させました。これは私が現在所属している会社でもあります。私たちは一連の製品モデルを形成し、私たちのソフトウェアと連携して、低温から高温、平面成形から曲面成形までの多次元のニーズを満たし、国内の3D印刷設備とソフトウェアの全体的なシーケンスを改善しました。
これは、自動車、航空、自転車などで使用されるいくつかの部品です。プロセスは、最初の段階に応じて3つの段階に分けられます。この時点で、国家戦略レベルに上昇しました。
2019年から現在までの第3段階では、業界初の安定期に入りました。この安定期は、工業情報化部と国家発展改革委員会が2021年に共同で発表した「インテリジェント製造発展の第14次5カ年計画」で提案された3Dプリントの重要な任務に代表されます。大学や研究機関が依然として主体ですが、出願総数を見ると、企業出願の割合が大幅に増加していることがわかり、次の特許出願段階では、企業を主体とし、相関性が強い製品特許の爆発期に入ろうとしています。
これは現段階での当社の主な出願チームの紹介と特徴です。また、各段階で出願した特許の分類を分析しました。たとえば、第1段階では、ボディ材料の種類の拡大、複合材料のインターフェースの最適化、成形精度に重点が置かれていました。第2段階では、第1段階のゼロ探索サイクルをスキップした後、主に設備関連の特許出願を改善しました。つまり、キャリアは2015年から2019年までの第2段階での重要な議論のトピックになりました。つまり、3Dプリンターです。第3段階では、技術開発が徐々に明確になりました。まだ主に設計関連と設備関連の特許ですが、同時に、生産プロセスに関する特許出願数が増加しています。生産プロセス関連の特許の増加は、実際には、設備と材料の初期の探索以来、当社の端末アプリケーションシナリオとの密接な協力と統合を反映している可能性があります。
そのため、3Dプリント中国特許の技術発展の動向の中核は、当社の材料はまだ途中であり、設備はまだ現在の主体であるが、端末印刷に対する需要は絶えず増加し、深化しているということです。
最後に、当社の現在の連続繊維複合材 3D 印刷の社内顧客には、航空宇宙などの業界のニーズが含まれます。これは、複雑な統合構造、低高度経済の迅速な反復とアップグレード、自動車産業の生産コストの削減、軽量、勾配供給統合、インテリジェント開発段階など、ロボットを中心とした当社の具現化されたインテリジェンス、そして最後に人間工学に基づいたスポーツ用具の連続繊維複合材 3D 印刷への当社の最も初期の応用分野でもあります。
連続繊維 3D 印刷には、材料と国内材料の材料マッチング安定性、当社の連続繊維印刷と従来の製造における繊維含有量の上限の違いなど、多くの困難と問題があります。今述べたパフォーマンスについては、3D 印刷全体、特に連続繊維複合材料にとって克服できないギャップです。最後に、当社の設計シミュレーション機能などの上流技術が下流と効果的なポート接続を形成できるかどうかは、当社にとって非常に重要なトピックです。
以上が私の報告です。業界の専門家やリーダーの皆様、ご質問があればお気軽にご相談ください。よろしくお願いいたします。

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