複合材料3Dプリントの大量生産と商業応用へ

出典: リンギエ - 「国際複合技術ビジネス情報」

長年の開発を経て、付加製造技術は多くの産業に大きな影響を与えており、「第四次産業革命」へと発展する可能性があります。熱溶解積層法（FDM）に基づくポリマー材料を使用した 3D 印刷技術は、さまざまな分野で広く使用されており、大きな可能性を示しています。金型を必要とせず、複雑な形状を形成でき、成形サイクルが短いなど、他の従来のプロセスにはない特長を備えています。

△クランクシャフト上の3Dプリント炭素繊維複合材コネクティングロッド複合材料3Dプリントプロセスの主な利点は、低コスト、短いサイクル、および複雑な構造の複合材料の迅速な製造を実現する能力です。この技術は現在、航空宇宙、自動車、防衛などの分野で導入されており、柔軟な開発、さまざまなバッチ生産、オンデマンドの配送を可能にしています。

たとえば、ギリシャの機械加工会社は、自動車用の 3D プリントされた炭素繊維複合材コネクティングロッドを大量生産しました。

△カーボンファイバーの印刷
チョップドファイバー印刷と連続ファイバー印刷<br /> 基本的な 3D プリント熱可塑性材料に繊維を追加する場合、炭素繊維を例にとると、現在、炭素繊維プリントには、細断炭素繊維充填熱可塑性プラスチックと連続炭素繊維強化材料の 2 つの方法があります。細断炭素繊維を充填した熱可塑性プラスチックは、標準の熱溶解積層法 (FDM) または SLS プリンターを使用して印刷され、その主な成分は、細かく細断された炭素繊維を含む熱可塑性プラスチック (PLA、ABS、またはナイロン) です。

短炭素繊維強化ポリマーの場合、理論上の繊維長は 0.2 ～ 0.4 mm であり、現在 FDM および SLS で印刷される繊維長は 5 ～ 10 μm です。短炭素繊維を添加すると、部品の機械的強度、特に引張強度と曲げ強度および弾性率が大幅に向上します。また、部品の寸法安定性、表面仕上げおよび精度も向上します。ただし、一部の短繊維強化材は、材料を過飽和にすることで強度を向上させます。これにより、部品の全体的な品質が損なわれるだけでなく、表面品質と部品の精度も低下します。

△ 図 1 では、構造全体に分散されていません。図 2 では、交差パターンで強化されています。△ 熱可塑性樹脂の堆積は一方向では最小限であるため、部品の材料は少なくなりますが、強度は増します。連続炭素繊維製造は、連続した炭素繊維の束を標準的な FDM 熱可塑性マトリックスに敷き詰める独自の印刷プロセスです。連続炭素繊維は複合材料の強度を高めるための真の鍵です。従来の金属部品の代わりに 3D プリントされた複合部品を使用する利点は、重量の数分の 1 で同様の強度を実現できるため、メリットの面でコスト効率の高いソリューションとなることです。

高性能連続繊維強化熱可塑性複合材3D印刷技術は、連続繊維強化熱可塑性ポリマー材料を使用して、高性能複合部品の直接3D印刷を実現します。連続繊維と熱可塑性ポリマー材料を原料として使用し、同時複合注入溶融堆積3D印刷プロセスを利用して、複合材料の準備と成形の統合製造を実現します。この方法を使用するプリンターは、印刷中に FFF 押し出し熱可塑性プラスチック内の 2 番目の印刷ノズルを通して、連続した高強度繊維 (カーボンファイバー、グラスファイバー、ケブラーなど) を配置します。これにより、強化繊維が印刷部品の「バックボーン」を形成し、硬く、強く、耐久性のある効果を生み出します。

現在、市場ではさまざまな連続繊維強化複合材3Dプリンターが開発されており、3Dプリント複合材料システム（炭素繊維、アラミド繊維強化ポリ乳酸、ナイロン、ポリイミドなど）が確立されています。製造された炭素繊維強化PA複合材料の繊維体積含有率が42％に達すると、曲げ強度は560MPaに達し、曲げ弾性率は62GPaに達し、これは従来のPLA部品の約9倍です。

現在開発されている 3D プリンターと印刷技術には、FFF (Fused filament fabrication) とも呼ばれる熱溶解積層法 (FDM) プロセスやその他のタイプなど、さまざまな種類があります。これらには、CFF (連続ワイヤ製造)、ADAM (原子拡散積層造形)、SLS/SLM (選択的レーザー焼結/選択的レーザー溶融)、DLP (直接光処理)、SLA (光造形法)、バインダージェッティングが含まれます。

今日、付加製造の分野は爆発的に成長しました。射出成形などの従来の製造技術では、ポリマー製品を低コストで大量に生産できますが、付加製造技術では、より速く、より柔軟で、低コストの方法でポリマー製品を生産できます。さらに、技術の発展に伴い、3Dプリンティングは徐々に大量生産へと向かっています。

新たな 3D プリントのイノベーション<br /> ロシアの企業が、複合繊維共押出（CFC）技術と呼ばれる独自の連続炭素繊維印刷技術を市場に投入しました。

このロシア企業は、ロシア宇宙庁の宇宙船建造プロジェクトから始まり、「ロシアのシリコンバレー」とも呼ばれるスコルコボ・イノベーション・センターで、航空宇宙分野の世界トップクラスの複合材料科学者4人によって共同設立されました。スタートアップチームは、継続的な探求と研究を経て、連続繊維 3D プリントの世界的な技術的課題に成功裏に取り組み、独自の CFC 複合繊維共押し出し技術を開発し、デスクトップおよび産業グレードの連続繊維 3D プリント装置を市場に投入することに成功しました。

プリプレグに 1 つの入力と 1 つの出力がある CFF とは異なり、CFC では 2 つの入力と 1 つの出力が使用されます。 1 つの入力は強化繊維専用で、もう 1 つは熱可塑性プラスチック専用です。乾燥した繊維がシステムに供給され、そこで液体の熱硬化性樹脂が含浸されます。印刷プロセス中、熱硬化性材料は従来の熱可塑性フィラメントとともに硬化され、押し出されます。強化繊維に浸透した熱硬化性マトリックスは、その後フィラメントに結合します。

その結果、プリプレグに気泡や空隙が生じる可能性が低くなるだけでなく、CFC を使用できる熱可塑性プラスチックの範囲が広がります (現時点では、PETG、ABS、PC、PLA、PA)。 CFC では堆積速度を制御することもできるため、格子形状など、従来の複合材料製造では実現できない興味深い構造や特性を生成することもできます。従来、1 本のカーボントウを別のカーボントウに通すと、その領域の厚さは 2 倍になります。 CFC を使用すると、炭素繊維を堆積させながら熱可塑性樹脂の押し出し量を減らすことができるため、その領域のプラスチックの量を減らすことができます。

これにより、複合材全体の体積に対する繊維強化材の量である「繊維体積比」と呼ばれるものが増加します。一般的に、繊維体積比が高いほど機械的特性が向上します。そのため、これらの炭素繊維は 3D プリントされた格子構造で交差しているため、繊維の体積比と強度がともに向上します。

航空宇宙分野では、エンジニアは最大約 60 パーセントの繊維体積比率を求めています。ただし、他の炭素繊維 3D 印刷技術では、その比率は 30 ～ 40 パーセントに近くなります。格子構造がない場合、CFC は約 45% に達し、炭素繊維が重なり合う部分ではこの比率が 2 倍になり、従来の複合材料よりも強度が増します。

織り込まれた炭素繊維では、単方向繊維の複数の層が交互に配置されて等方性をシミュレートし、最終的には余分な材料を犠牲にして全方向の強度を実現します。ただし、CFC を使用する場合は、必要な場合にのみ材料と強度を追加できます。そのため、同社は炭素繊維の異方性が弱点ではなく利点であることを強調し、プロジェクト技術を「Anisoprint」と名付けました。

Anisoprint はすでに生産規模の CFC システムを立ち上げています。 600 mm x 420 mm x 300 mm の造形容積を備えたこのシステムは、PEEK および PEI を印刷できる加熱造形チャンバーを備えており、自動キャリブレーションやその他の生産品質機能を実行できます。 4 つの交換可能なプリントヘッドのおかげで、カーボンファイバーに加えてさまざまな複合材料を組み合わせることができます。このシステムには、格子構造の印刷を最適化するためのソフトウェアも搭載されます。

3Dプリントの商用化の実現<br /> アメリカのスタートアップ企業AREVOは最近急速に成長している。 2020年6月初旬、AREVOは、世界最大の高速連続炭素繊維強化ポリマー複合材付加製造工場の建設を開始したことを発表しました。この工場は、サービスとしての製造モデルで運用され、カスタマイズされた製品を大規模かつ迅速に生産します。連続炭素繊維強化ポリマー複合材は、強度対重量比が鋼鉄の 60 倍以上で、プロ仕様の自転車、F1 レーシングカー、最新世代の戦闘機などの製品に使用されています。

AREVOは、「カーボンファイバー製自転車フレームの分野では、3Dプリント技術の進歩によりコスト構造が変化し、3年後には中国の工場でのカーボンファイバー製自転車フレームの手作業による製造がなくなるだろう」とさえ主張している。

Arevo は、特許取得済みのソフトウェアアルゴリズム、炭素繊維材料、ロボット 3D 印刷技術を使用して、複合部品の製造のためのサービスとしての製造を実現します。「当社のシステムは、手作業やオーブンでの硬化作業の必要性を完全に排除します」とスタッフは語った。「当社のソフトウェアと完全に自動化されたロボット式3Dプリンターにより、炭素繊維製品を迅速に製造できます。」

従来、複合材自転車フレームの設計と生産には 18 か月かかりますが、連続繊維 3D 印刷技術により、この時間を数週間に短縮できます。フレームビルダーは試行錯誤を繰り返しながら 20 回以上の設計反復を作成しました。デザインが決まったら、プロトタイプを手作りし、乗って、デザインを変更する、という作業を繰り返すのです。工場で製造される複合フレームは、27 ～ 30 個の異なる部品を手作業で接着して作られています。 Arevo のシステムでは、分析や最適化を含むすべての設計作業をソフトウェアで実行できるため、研究開発コストが大幅に削減されます。同時に、3D プリントは一体型の単一コンポーネントであり、連続繊維がフレーム内にインテリジェントに配置され、これまでにない構造的完全性と安定性を実現します。

Arevo 社は、自転車やスクーターの車輪など、他のさまざまな用途にも取り組んでいます。荷物の配達に使用される商用ドローンのメーカーは、複合材料の軽量化に興味を持っている。テニスラケットやローラースケート（金属ブレードをブーツに接続する構造のため）などのスポーツ用品のメーカーも同様だ。その他の戦略的アプリケーションも、航空宇宙、建設、自動車の各分野で開発されています。

さらに、2021年1月には、複合材3Dプリント自転車と電動自転車の商品化を専門とする企業が最初の自転車を出荷しました。これは、市場に投入される最初の連続繊維強化複合材 3D プリント消費者向け製品の 1 つであるため、重要なマイルストーンとなります。

複雑または精密な構造のための連続繊維 3D 印刷技術<br /> サウスカロライナ大学航空宇宙イノベーション研究センターの研究者は、TIGHITCO および Ingersoll Machine Tools と共同で、高度に特殊で要求の厳しい製品向けの連続繊維強化 3D 印刷技術を開発しました。この技術は溶融フィラメント製造（FFF）法であり、チームは熱可塑性複合フィラメントとロボット3D印刷システムを開発しました。このシステムは、連続繊維堆積エンドエフェクタとシーメンス制御システムを備え、7 つの自由度を提供する産業用ロボットプラットフォームを使用して、インガソルによって製造されます。チームは、大きなプリントヘッドを使用して多くの後処理を必要とする大きなパターンを印刷するのではなく、最小限の後処理で印刷したいという考えのもと、この技術を開発しました。

研究チームは、この技術が3つの用途に適していると考えています。 1 つ目は、ドローンや小型航空機 1 機あたり特定の高強度コンポーネントが 1 つだけ必要な航空宇宙アプリケーションなどの少量生産で、ツールやマンドレルの正当化が困難です。 2 つ目は、補強グリッドなどの非常に複雑な構造で、他の製造方法では必要な強度対質量比や剛性対質量比を実現できません。 3 つ目はオーバープリントです。これは、印刷プロセス中にコンポーネントが挿入され、印刷された部品に完全に埋め込まれ、部品の統合を可能にする技術です。

オーバープリントの例としては、印刷後の処理でスレッド埋め込みを追加するのではなく、スレッド埋め込みの周囲に印刷することや、印刷された部品に RFID チップや電子センサーを埋め込むことが挙げられます。自動フィラメント配置 (AFP) 胴体は最小限の統合のみが行われており、多数の小さなコンポーネントがボルトで固定されています。この技術のハイライトは、複合部品の製造に熱可塑性プラスチックが使用される場合、オーバープリントによって毎回再溶融され、新しいコンポーネントが追加されることです。リベット、ファスナー、接着剤を排除することで、これらの航空宇宙構造を大幅に改善できます。

Continuous Composites は連続繊維強化 3D プリントの先駆者であり、2012 年に世界最古のプロセス特許である CF3D を取得しました。同社は、この技術が十分に経済的であるため、将来的には航空機の構造全体をオンデマンドで（10 個でも 10,000 個でも）印刷できるようになると予想している。 CF3D は、硬化が速い熱硬化性樹脂 (熱可塑性樹脂でも使用可能) を使用し、プリントヘッド内の強化繊維を含浸させて、材料の堆積直後に複合材料を硬化させます。熱硬化性材料により、自由空間で高速印刷を実行するプロセスが可能になります。 CF3D テクノロジーを使用すれば 50 ～ 60% の繊維量を達成でき、同社はさまざまな方法でこのプロセスを進化させ続けています。最近の重要な進歩としては、より自動化されたツールパス生成、同じ部品で高解像度のシングルパス印刷と高堆積マルチパス印刷の両方を可能にする自動ツール交換、ロボットの精度と正確さの向上、より高い機械的特性を持つ材料の開発などが挙げられます。

CF3D と同様に、Italian Composites の連続繊維製造 (CFM) プロセスも、早期導入および開発段階 (技術準備レベル 5) に達しています。 CFM テクノロジーは、熱硬化性樹脂を使用した 3D 印刷の課題に対処するように設計されており、エポキシ、アクリル、ビニルエステルを使用した連続ガラス繊維強化複合材料の印刷に成功しています。紫外線 (UV) は MoI 印刷技術の主な硬化プロセスですが、このプロセスは他の硬化および後硬化メカニズムにも適応できます。これは、カーボンの不透明性と黒色が UV 硬化を妨げるため、カーボンファイバーアプリケーションには必須です。

要約と展望
3D プリントされた炭素繊維強化ポリマー、特に連続炭素繊維強化熱可塑性ポリマーは、軽量で高性能な複雑な構造部品を低コストかつ高効率で製造する上で大きな可能性を秘めています。連続繊維 3D 印刷技術は、3D プリンターの革新により急速に登場しており、複合部品の大量生産のほか、非常に複雑な形状や極めて精密な製造を必要とする重要な機能など、特に難しい機能を印刷するために使用できます。この技術が成熟し、大規模に推進・応用されることにより、航空機製造業界は3Dプリントによるドローン、複雑な航空機構造物、製造ツールの大量生産の探求をさらに推進し、航空複合材料の発展の新たな波を開くことが予測されます。

技術的な観点から見ると、短炭素繊維強化ポリマーの場合、FDM と SLS は成熟した原材料と技術を備えています。次の重要なステップは、印刷精度と部品の全体的な機械的特性を向上させることです。連続繊維 3D 印刷技術には、依然として 2 つの大きな問題があります。1 つは繊維含有量が少なく、印刷された層間で剥離が発生する可能性が高いことです。もう 1 つは、連続ツールパス生成用の標準化された商用ソフトウェアが不足していることです。次のステップの鍵は、ロボットなどの自動化補助装置と組み合わせて連続繊維に適した製造プラットフォームを開発し、多次元繊維配向を実現し、3Dプリントの利点を最大限に発揮し、革新的な設計を通じて性能とコストを最適化することです。

全体的に、将来的に3Dプリント炭素繊維強化材料を大規模に応用するための鍵は、材料技術、加工技術、加工速度と品質、コスト管理の4つの側面の革新と開発にあります。将来、これらの問題が解決されるにつれて、この技術は、柔軟性と開放性、高速性と効率性、低コスト、完全に自動化された生産などの利点により、必然的に従来の複合材料製造技術と競合することになります。

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