カンザス州立大学: 超高強度連続炭素繊維複合材の 3D プリント

寄稿者: Yun Jingxin、Tian Xiaoyong 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

連続繊維強化熱可塑性複合材（CFRTP）は、連続繊維を強化材とし、熱可塑性樹脂をマトリックスとした高強度、高剛性、高靭性の複合材料で、熱可塑性樹脂を溶融含浸させるプロセスで製造されます。連続繊維強化熱可塑性複合材料は、軽量、高剛性、高靭性などの特性により、自動車産業、航空宇宙産業、軍事産業、電子機器などの多くの分野で広く使用されています。

連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料の 3D 印刷技術は、従来の製造プロセスと比較して 3D 構造の製造において比類のない柔軟性を備えているため、人気が高まっています。しかし、主流となっている熱溶解積層法（FDM）や押し出し成形技術には、層間結合が弱い、マイクロビーズと層の間に隙間がある、炭素繊維の体積比が低いなどの重要な問題があり、航空宇宙や防衛などの重要な分野へのこれらの技術の応用を妨げています。

上記の問題に対処するため、カンザス州立大学の研究チームは、プリプレグ複合シートを使用して独立した積層CFRPを製造するための新しい3Dプリント方法を提案しました。この方法は、レイヤードエンティティ製造（LOM）技術にヒントを得たものですが、プリプレグシートをより効果的に硬化させるために接着プロセスが改良されました。この方法の具体的な実施プロセスを図 1 に示します。まず、プリプレグシートをスライスの CAD ジオメトリに従って順番に切断し、次に CO2 レーザービームと統合ローラーシステムを使用して層ごとに結合します。得られたサンプルは、コンピュータ断層撮影で測定された低い空隙率と、従来のオートクレーブ法による重ねせん断強度試験と同程度の高い層間結合強度を示しました。研究チームは、これまでに3DプリントされたCFRTPの中で、これまで報告された中で最高の引張強度（668.3 MPa）と曲げ強度（591.16 MPa）を達成しました。これは主に、優れた界面結合強度と連続炭素繊維の高体積比によるものです。

図 1. 炭素繊維強化熱可塑性複合材料のレーザー支援 3D プリントの概略図。 a) スライスされた断面に基づいて、集束された CO2 レーザービームを使用してプリプレグ複合シートをレーザー切断します。 b) 前のレイヤーの上に、あらかじめカットしたレイヤーを追加します。 c) CO2レーザービームとコンソリデーションローラーシステムを使用した複合プリプレグシートのレーザーアシスト接合。レーザー照射による高温（樹脂の融点以上）と圧着ローラーからの圧力により、プリプレグ層を完全に圧着することができます。 d) 最終的な 3D プリント複合構造の画像。 e) 本研究で使用した PA6/CF および PP/GF プリプレグ複合材料の DSC 曲線。
本研究では、P.Parandoush（論文著者）自身の体重の軸方向（図2a）および横方向（図2b）の荷重を支えることができるCFRTP構造部品と、アルミニウム合金材料に代わるCFRTPラジコンカーフレーム（図2c、d）を3Dプリントすることで、3Dプリント高強度CFRTP構造の実現可能性を検証しました。これらの構造はすべて、[0/-45/0/45°]の炭素繊維配向で3Dプリントされており、多方向の強度が高くなっています。さらに、RC カーの 3D プリントフレームは、交換した元のアルミフレームと同等の剛性があることが証明されました。本研究で研究された 3D プリント技術は柔軟性が極めて高く、高い強度/重量比と相まって、3D プリントは高性能構造材料の製造における重要な候補の 1 つとなる可能性があります。

図 2. この研究から開発されたいくつかの実用的なアプリケーション。 [0/-45/0/45°]の繊維配向を持つ3DプリントCFRTP構造は、P. Parandoushの重量をa)軸方向とb)横方向で支えることができます。この強度は、連続繊維強化材の高体積率と優れた界面結合によって実現されます。 c) この 3D 印刷方法は、リモコンカーのフレームを 3D 印刷するためにも使用されます。 d) 3D プリントされたカーボンファイバー複合フレームは、構造的な剛性を犠牲にすることなく、元のアルミニウム部品を置き換えます。
要約すると、研究チームは、連続炭素繊維強化プリプレグ複合シートをベース材料として使用した、これまでで最も強力な 3D プリント CFRTP 複合材料を製造しました。この方法では、指定された CAD モデルの断面に従ってプリプレグシートをレーザーカットし、次に CO2 レーザービームと統合ローラーを使用してプリプレグ層を前の層に結合します。この層ごとのプロセスは、最終的な 3D 形状が得られるまで繰り返されます。本研究の3Dプリント構造は、高体積率連続炭素繊維強化と強力な層間接着を組み合わせ、既存の市販複合材3Dプリント技術に比べて優れた強度と剛性を備えており、高強度CFRTP材料の3Dプリントの実現可能性を証明し、自動車産業、航空宇宙などの分野でのさらなる応用が期待されています。

参考文献:
Pedram Parandoush、Chi Zhou、Dong Lin。超高強度連続炭素繊維複合材料の3Dプリント。Adv. Eng. Mater. 2019、21、1800622。

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