異方性を活用するための積層造形の進歩

CEOのFedorAntonovによって2014年に設立されたAnisoprint（Esch-sur-Alzette、ルクセンブルグ）は、連続繊維を使用した複合材料の3D印刷を推進するテクノロジー企業の1つです。 。ただし、アディティブマニュファクチャリング（AM）を金属から遠ざけるのパイオニアとして知られることをお勧めします。 コンポジットに。

「複合材料の指向性は欠点ではなく利点です」とアントノフは言います。 「一方向性炭素繊維複合材料は、金属よりも強力で軽量です。従来の製造および金属ベースのAMは、複合材料の方向異方性を軽減する必要のある欠点と見なしています。しかし、Anisoprintのアプローチは、この異方性を利用して、繊維を配向および配置して構造荷重に正確に適合させ、高い強度と剛性を維持しながら部品の重量を大幅に削減します。」

より効率的なコンポジットの有効化

アントノフは、従来の複合材料製造では、通常、準等方性ラミネート、ドリル穴、機械的ファスナーなど、金属業界の慣行が使用されてきたと指摘しています。 「これらの無効化 重量とパフォーマンスの利点 複合材料の」とアントノフは言います。 「アニソプリンティング技術は、はるかに高速で柔軟な自動化された生産方法を提供します。」また、トポロジの最適化とジェネレーティブデザインによって現在出力されているより効率的な構造を実現する方法も提供します。 ソフトウェア。

「樹木や骨などの自然界で最も効率的な構造は、方向性を利用して、主に荷重経路に沿って荷重伝達材料を配向します」とアントノフは主張します。ただし、これらのタイプのトポロジ最適化構造を作成することは困難です。たとえば、宇宙船用の強力で軽量なペイロードフェアリングアダプターを可能にした格子構造は、通常、フィラメントワインディングを使用して製造されます。ただし、トポロジ最適化バージョン 、さらに30％の軽量化を提供 、従来の複合プロセスや最近の自動繊維配置（AFP）では、製造が容易ではなくなりました。

「従来のアニソグリッドフィラメント巻き構造は、工具の溝を使用して実現され、リブの繊維体積分率が比較的低いため、それらを交差させることができます」とアントノフ氏は言います。 「これらのタイプのアニソグリッド構造は、私たちの当初の目的でした。ただし、これはAFPを使用しても機能しません。これは、繊維の体積含有量が常に一定であり、繊維を切断したり、局所的な厚さの変化なしにリブを交差させることはできないためです。」

（注：これに関する詳細については、https：//www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcherを参照してください）

ファイバーステアリング

ファイバーステアリングは、AFPを使用した複合材料の製造に現在適用されている手法であり、曲線のパスにファイバーを適用できます。AFPは、従来、直線の直線パスを使用してきました。ファイバーステアリングにより、ファイバーパス、つまり複合パネルの機械的応答を最適化して、従来のラミネートよりも高いパフォーマンスを発揮できます。一例では、このアプローチは、まっすぐなファイバーパスと同じ質量を持つ同等の従来のパネルよりも44％高い第1固有振動数（振動の振幅を最小化し、より速い減衰を可能にする）を持つ宇宙船ソーラーアレイ用の複合基板パネルを生成します。あるいは、同じ周波数性能でより軽量のパネルを実現することもできます。

ファイバーステアリングにより、衛星用の構造パネルや高速機械部品などの部品の設計と製造が非常に高性能になります。これは繰り返し可能なプロセスであり、高品質で一貫した品質を実現し、革新的な新しい設計を可能にします。また、同じ幾何学的設計の重量を減らすために使用することもできます。ソース| 「高度な複合パネル用のファイバーステアリングテクノロジー」（元のリンクはここに記載されていますが、esa-tecサーバーからは利用できなくなりました：http：//www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering -technology-for-advanced-composite-panels /）

「アニソプリンティングは、トポロジー最適化部品を実現するために使用される格子構造とファイバーステアリングの組み合わせです」とアントノフは言います。 「これは、印刷された複合材料の重要なテクノロジーです。たとえば、切り欠きや穴のある民間航空機用の胴体パネルをどのように構築しますか？

彼は3つの異なる技術を提供し、それぞれがCNC機械加工された穴を備えた、同じ厚さと重量の複合サンプルを作成するために使用されます（下の表を参照）。彼は、圧縮試験で、ファイバーステアリングで作成されたサンプルの最大圧縮荷重は、準等方性複合材料（「黒色アルミニウム」）の2倍であり、一定剛性のUDラミネートと比較して30％高いと述べています。 「したがって、ファイバーステアリングは強力なツールです」とアントノフは言います。 「アニソプリンティングは、ファイバーの量と生産性を向上させるにつれてAFPファイバーステアリングに移行し、AFPはより柔軟に移行します。

アノトフが指す「柔軟性」は、3次元空間の任意のパスに沿ってファイバーを配置できる量の尺度です。連続繊維3D印刷を商品化している別の会社であるアレボは、このタイプの柔軟性があると主張しています。 「Arevoのテクノロジーは、コリオリ、自動ダイナミクス、エレクトロインパクトなどのAFP企業とそれほど違いはありません」とアントノフは言います。 「彼らは単にそれを小型化しただけであり、薄くて幅の広いテープを使用する代わりに、レーザーAFPヘッドを備えた厚くて狭いテープを使用しています。それはすべて同じです。" Arevoの3D印刷技術は、最初からロボットベースであることに注意してください。 Anisoprintのテクノロジーは、ロボットプラットフォームに移行するにつれて、どのように変化しますか？

ファイバーステアリングを使用したAnisoprint3Dプリント複合サンプルの例。

Anisoprintの歴史とTS-TPアプローチ

アントノフと彼の共同創設者（アンドレイ・アザロフ、アレクセイ・カジエフ、ミハイル・ゴルベフ、ザフェル・グルダル）は、2011年に設立されたスコルコボ科学技術研究所（Skoltech）と呼ばれるモスクワ西部の新しい大学にいました。アントノフは、スコルコボの複合技術の新しいセンターの建設に取り組んでおり、3D印刷の開発を開始しました。当時の複合材センターの所長は、2015年にサウスカロライナ大学のマクネアセンターに戻ったザフェルグルダルでした。後者は現在、複合材料と連続繊維3D印刷の研究開発で知られています。

「ザフェル・グルダルが去ったとき、私たちはスコルコボからスピンオフすることに決めました」とアントノフは説明します。 「2015年の夏までにプロトタイプのCFCプリントヘッドを開発しました。次の目標はデスクトッププリンターを開発することでした。」

Anisoprintは2017年にComposerデスクトッププリンターを発表しました。Markforged連続繊維プリンターと同様に、AnisoprintのComposerは2つの印刷ノズルを使用します。1つは連続繊維強化用、もう1つはプラスチックマトリックス用です。ガラスプリントチャンバー内に収容されたComposerのガラスプリントベッドは120°Cまで加熱できるため、収縮による影響を最小限に抑えることができます。現在、2つのサイズで利用できます：

• A3 （420 x 297 x 210ミリメートル）
• A4 （297 x 210 x 147ミリメートル）

標準のノズル直径が0.4ミリメートルの場合、Composerの印刷速度は、非強化で10〜80ミリメートル/秒、連続繊維強化で1〜20ミリメートル/秒と見積もられています。アニソプリントは、PLA、PETG、ABS、ナイロン、PCなどの多くのプラスチックを押し出すことができます。複合炭素繊維（CCF）材料でこれらを強化することができ、最近、複合玄武岩繊維（CBF）印刷材料を発売しました。

ただし、Anisoprint は、他の連続繊維3D印刷技術とはまったく異なります。 まず、連続繊維強化材に熱硬化性樹脂を含浸させます。 ポリマーを使用し、印刷中にこれを溶融した熱可塑性フィラメントに押し出します。 「この2マトリックスのアプローチにより、低気孔率、ポリマーへの繊維の良好な接着性、および優れた機械的特性が保証されます。」 アントノフは主張します。

彼は続けます。「プロトンMランチャーペイロードアダプターV.V.のフィラメントワインドアニソグリッドの発明者。私たちの顧問委員であるVasilievは、実際に、デュアルマトリックス熱硬化性-熱可塑性を使用するというこのアイデアを示しました。 （TS-TP）材料には、単一の熱硬化性または熱可塑性マトリックスを使用するよりも利点があります。熱硬化性マトリックス材料には脆性の問題があるため、繊維が破損するよりもはるかに早くマトリックスに亀裂が生じ始めます。 Vasilievは、デュアルマトリックスアプローチでこれを軽減できることを証明しました。」

Anisoprintが使用する熱硬化性樹脂は多成分エポキシであり、最終的に印刷されたラミネートの繊維含有量は、ミュンヘン工科大学（TUM）によるテストで最大45％です。

Anisoprintの特許取得済みの製品は次のとおりです。

さまざまな連続繊維で強化された熱可塑性ポリマーを使用した積層造形用の複合繊維共押出（CFC）技術 （カーボン、玄武岩など）自動化された単一段階のプロセスで統合および硬化され、工具や後処理は必要ありません。

ComposerCFCプリンターと従来のFFFプリンターを使用して部品を製造するための3Dモデルを準備するAuraスライサーソフトウェア。

Composerデスクトップ3Dプリンターは、3つのサイズ（A4、A3、A2）で利用できます。

PROM ロボットとガントリーのオプションを備えた産業用印刷システムのファミリー。2020年から市販されています。

ロボット開発とデスクトップ

「印刷中に限られたスペースに収まるようにヘッドを動かす必要があるため、ロボットのプリントヘッドは異なります」とアントノフ氏は説明します。 「2D平面では、これは問題ではありません。しかし、3D空間では、すでに何らかの構造がある場所にファイバーを配置する必要があります。理想的なアクセシビリティは針で実現されます。したがって、妥協点、より針のようなプリントヘッドが必要です。」

彼は、産業用制御などの他の違いに注目しています。 「デスクトッププリンターは、Arduinoなどの家電製品をベースにしています。しかし、より大規模なロボットシステムの場合、産業用モーションコントロールとインターフェース、およびMarkforgedが大規模なマシンに搭載しているレーザー測定などのあらゆる種類の現場品質保証が必要です。また、加熱/冷却センサーとコントロールを変更する必要があります。」彼は、これらすべてに時間とリソースがかかり、過去2年間の優先事項はデスクトップマシンの開発でしたが、現在はロボットシステムにも取り組んでいると付け加えています。」

ソフトウェア：Aura

Antonovは、Anisoprintのソフトウェアを柔軟であると説明しており、初心者と上級ユーザーの両方を可能にします。 「このソフトウェアは使いやすいですが、R＆Dラボが印刷パラメータを変更できることが重要です」と彼は説明します。実際、顧客には、MFPA研究所（ドイツ、ワイマール）、ブライトランズマテリアルセンター（オランダ、ヘレーン）、ミュンヘン工科大学、およびSchunk Carbon Technology、Airbus、BMWなどのメーカーが含まれます。

Anisoprintには、軽量金属と比較して最大45％の軽量化を実現した、3Dプリントされた複合マイクロサテライトパーツがあります。

継続的なソリューションのためのパートナーシップ

オープンマテリアルプラットフォームとしての地位を誇っているAnisoprintは、新しい印刷材料と部品のパートナーシップをさらに発展させることも目指しています。 6月、マルタを拠点とするThought3Dと、後者のMagigoo接着剤を使用することで合意したことを発表しました。これらは最初の印刷層をプリントベッドに貼り付け、部品の剥がれを防ぎます。 「最初の層の接着不良は、印刷された部品を台無しにする可能性のある最も一般的な問題の1つであり、必ずしもビルドの開始時にではありません」とアントノフは説明します。 「これは、お客様がさまざまな種類の熱可塑性プラスチックから選択できるオープンマテリアルシステムにとって特に重要です。それぞれに異なる印刷パラメータが必要であるため、Auraスライサーソフトウェアにいくつかの最初のレイヤー設定を導入しました。これが、すべてのComposerボックスにMagigooスティックを含めて、お客様が適切なソリューションを手に入れて、第1層の接着が良好になるようにする理由でもあります。」

アニソプリントアプリケーション

Anisoprintによると、同社の技術は、航空宇宙から消費者向け製品、ヘルスケアまで、多くの分野に適用できるとのことです。一例として、アルミニウムと比較して40％の軽量化で、1.5トンの荷重に耐える航空機の座席サポートがあります。平均的な単通路旅客機にこのような器具が100機あるため、この軽量化により、燃料と全体的な運用コストを大幅に節約できます。

Anisoprint 3Dプリント複合航空機シートサポートは、アルミニウムと比較して40％の軽量化を実現します。

もう1つのケースは、乳製品の生産ラインで使用されるヨーグルトポットを形成するためのピストンです。このようなピストンは通常、粉砕されたポリアミドで作られていますが、損傷した部品の交換には3か月かかり、その間、生産ラインが停止します。 Anisoprint Composerによって印刷された部品は、寿命が長く、生産ラインのダウンタイムが3か月から24時間に短縮されたと報告されています。

Anisoprintは、3D印刷された複合ピストンで乳製品生産ラインのコンポーネントの要件を満たしましたが、交換時間が大幅に短縮されました。

「アニソプリンティングは、複合繊維の共押出しによる最適な複合構造の設計と製造を可能にします」とアントノフは言います。 「熱可塑性ポリマーは、連続繊維で強化され、後処理を必要とせずに、単一段階の完全に自動化されたプロセス内で統合および硬化されます。その結果、従来の金属やプラスチックよりも数倍強く、軽く、安価で、従来の複合材料よりも優れた部品が得られます。」