連続繊維複合材3Dプリント技術の応用と展望

出典：中国機械工学会誌

連続繊維強化ポリマー複合材料 (CFRPC) は、金属や合金に比べて軽量で比強度が高いため、自動車、航空機、航空宇宙分野で広く使用されています。エアバスA350XWBなど世界をリードする航空機モデルに使用されている複合材料は、材料総重量の50%以上を占めています。通常の鋼鉄の代わりに先進複合材料を使用すれば、全体の構造重量を 60% 削減できます。

△エアバスA350XWBの外観しかし、先端複合材料の使用コストは従来の金属材料よりもはるかに高く、それは主に原材料、製造プロセスと設備、リサイクルの3つの側面に反映されています。ここ数年で登場した熱可塑性複合材料は、高い耐クリープ性、加工の容易さ、完全なリサイクル性により、次世代のグリーン複合材料になると期待されています。しかし、熱可塑性複合材料の成形は金型に大きく依存しており、多くの複雑な複合部品の設計と製造を妨げています。

熱可塑性プラスチックとその複合材料は、3D 印刷プロセスで広く使用されている原材料の 1 つです。 2014年にCFRPC 3Dプリントの特許とプロトタイプが発表されました。 CFRPC 3D 印刷プロセスでは、連続繊維がノズルに供給され、他の材料もノズルに供給されて共押し出し印刷が実現されます。形状記憶ポリマー (SMP) や液晶エラストマー (LCE) などの多くのスマート材料も、多機能インテリジェント複合材料の製造に使用されています。連続繊維強化ポリマー複合材 3D 印刷技術の登場により、高度な材料を複雑な複合部品に統合できるようになりました。

△Arevo連続繊維複合材3Dプリントシステム
熱可塑性複合材3Dプリントプロセス

● 原位置材料押し出し法

炭素繊維とポリマーのその場材料押し出しに基づく CFRPC 3D 印刷プロセス。熱可塑性樹脂フィラメントと強化繊維をノズルに供給し、ポリマーフィラメントをヒーターで溶融し、強化繊維をヒーター内のポリマーに含浸させ、その後、ホットステージ上で共押し出し、固化、積層します。

△連続炭素繊維強化複合材3Dプリント
● プレ含浸複合フィラメント3Dプリント

Markforged（米国）は、連続繊維強化複合材料を製造する世界初の商用3DプリンターであるMarkOneを2015年から販売しています。下の図は、MarkOne プリンターシステムのプロセス原理を示しています。プリントヘッドには 2 つのプリントノズルがあり、1 つは熱可塑性フィラメントを印刷するためのもので、もう 1 つは含浸済み複合フィラメントを印刷するためのものです。インサイチュ材料押し出しと比較して、事前に含浸させた複合フィラメントで 3D プリントされた部品は、より緊密な構造と優れた性能を備えています。

△ (a) MarkOne システムの概略図、(b) 0° CF/PA 複合材料サンプルの断面図、(c) マイクロスクリューインサイチュ押し出しに基づく連続繊維強化複合材料の 3D 印刷の概略図、(d) 3D 印刷装置、(e) 事前押し出しフィラメント、(f) 標準機械サンプル、(g) ハニカム構造断面。
CFRPC 3Dプリント技術の応用

● 航空宇宙用軽量複合構造

航空宇宙産業では、炭素繊維強化コンクリートはその高い強度と剛性により大きな注目を集めています。 NASAはMade In Spaceと提携して世界初の3Dプリント宇宙実験を完了し、2014年に国際宇宙ステーションで20以上のPLAサンプルを製造しました。

2020年、中国宇宙科学院は西安交通大学と共同で、連続炭素繊維強化PLA複合材料を使用した中国初の宇宙船3Dプリント実験に成功しました。 NASAは、連続炭素繊維強化複合材料で作られた大規模な宇宙ステーションの外部構造物を建設するために宇宙ロボットを使用することを提案しています。しかし、高真空、大きな温度差、強い放射線など航空宇宙の厳しい要求を満たすためには、3Dプリントの原材料と性能をさらに向上させる必要があります。

△ 宇宙 3D プリンティング: (a)、(b) 純粋な PLA、(c) 連続炭素繊維強化 PLA 複合材、(d) 大型構造物向け SpiderFab、(e) ドローン用 3D プリント CFRC 構造。
● 消費財

CFRPC 3D プリント技術は、自動車やスポーツなどの民生分野でも幅広い応用の見通しを示しています。金型の製造コストを節約できるだけでなく、軽量であるためエネルギー消費も削減できます。代表的な例としては、Arevo 社が製造する自転車のフレームが挙げられます。従来の自転車のフレームは、別々に製造され、その後ボルトで固定された数百の部品で構成されています。連続繊維強化複合モノコック自転車フレームは、シンプルな 3D プリントプロセスで製造されます。3D プリント技術により、ライダーの身長、体重、習慣に合わせてフレームをカスタマイズすることもできます。

△CFRC自転車フレームの3Dプリント：（a）製造プロセス、（b）最終製品。
● 製造用治具および工具

3D プリントされた熱可塑性ポリマーや短繊維強化複合材料のほとんどは機械的特性が比較的低いため、一部のプロトタイプ部品の製造にしか使用できません。 3D プリント技術で製造された連続繊維複合部品は強度が高く、最終部品としてそのまま使用できます。印刷材料が軽量なので、ワークピースの表面を傷つけません。 Dixon Valve はロボットのエンドエフェクタ用の連続ファイバー固定具を製造しており、従来のプロセスと比較して製造コストを 96.8%、製造時間を 87% 削減しています。GE も同じ方法を使用してノズル検査固定具を製造しています。

△3DプリントされたCFRC固定具とツール：（a）ロボットエンドエフェクタ固定具、（b）検査固定具。
CFRPC 3Dプリントの未来

● リサイクル可能なグリーン複合材料

CFRPC の使用が増加するにつれて、複合材料のリサイクル性が産業用途における制限になりつつあります。特に熱硬化性複合材料は現在適切にリサイクルされていません。

CFRPC 3D 印刷技術に基づき、PLA 複合材料のリサイクルと再製造に基づいて、多くの学者が高性能連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料のクリーン生産モデルを提案しています。連続炭素繊維と PLA マトリックスは、PLA 含浸炭素繊維フィラメントの形で 3D プリントされた複合部品から回収され、3D プリントプロセスの原材料として再利用されます。同時に、ポリマー繊維や天然繊維も 3D プリントプロセスでリサイクルされ、持続可能な生産が実現します。

△リサイクル可能な複合材料：（a）CFRTPCのクリーン生産モード、（b）複合材料のリサイクルサイクル、（c）全繊維液晶ポリマー複合材料の3Dプリント。
● スマート複合材料の付加製造

CFRPC 3D プリンティングは、センシング、アクチュエーション、コンピューティング、通信を統合した生物システム用の複合構造を製造できます。研究活動の活発化により、センシング、アクチュエーション、コンピューティング、通信などのさまざまなスマート機能を備えたマルチマテリアルへの応用分野が大幅に拡大しました。世界中の研究者のたゆまぬ努力のおかげで、CFRPC の範囲は 3D プリンティングをはるかに超えて、マルチドメインと n 次元プリンティングの統合を目指しています。同時に、先進的な複合材料やマルチマテリアル構造の自動化されたインテリジェントな製造を実現するために、インテリジェントな付加製造プロセスと設備を開発します。 3D プリンティング装置にはさまざまなセンサーやアクチュエーターを組み込むことができ、製造プロセスの検出や閉ループ制御を実現できます。

△3DからnDまでのスマート複合3Dプリント
オリジナルリンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S277266572200006X

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