デルフトの工業化された連続繊維複合印刷

CEAD（オランダ、デルフト）は、カレンメイソンの2019年3月の特集「連続繊維3D印刷の生産への移行」で紹介されました。このブログでは、共同創設者のMaarten Logtenbergとのインタビューに基づいて、同社が押出機を個別に販売する理由や、連続繊維印刷の将来に対する同社のビジョンなど、詳細を説明します。

連続繊維を使用した場合と使用しない場合の同じ印刷での印刷

Logtenbergとともに、CEADはLucasJanssenによって設立されました。彼らは、オランダの3Dプリンター会社Leapfrogを立ち上げたチームの半分でした。 「私たちは業界向けにさまざまな3D印刷機を製造してきました」とLogtenberg氏は言います。 「私は市場を調べていて、真の産業用途に適した材料で大規模に印刷することが欠けているように感じました。熱可塑性プラスチックだけの場合よりも強度が必要です。」これが、連続繊維を使用した印刷が実現するものです。 「それで、私たちは特許を取得した独自の技術を開発しました」と彼は続けます。

「私たちは、短繊維を使用し、繊維を使用しないプリントの必要性を今でも見ています。」これが、CEADの連続繊維積層造形の理由です。 （CFAM）テクノロジーにより、連続繊維およびでの印刷が可能になります 強化されていないまたは短い繊維強化ペレットからの直接押し出し同じ印刷内 。 「プリントヘッドを変更する必要はありません」とLogtenberg氏は説明します。 「連続繊維を溶融物の真ん中に置くので、両方が同時に押し出されます。しかし、それらは異なるドライブシステムを使用しています。 連続繊維 プリントヘッドに押し込まれますが、品質を確保するために事前に含浸されています。」

Logtenberg氏によると、射出成形およびオーバーモールド複合材料、および圧縮成形直接長繊維熱可塑性プラスチック（DLFT）複合材料ではすでに標準であり、ペレット/粒状材料の直接押出成形は工業生産の方が安価です。 「これらの材料は乾燥させる必要があります プレプリントし、CFAMマシンに接続された独自のドライヤーを開発しました。」

オーバーモールドされた熱可塑性複合材料と同様に、各印刷物に対して、同じポリマーが、事前に含浸された連続フィラメントと、非強化または短繊維強化の直接押出しの両方で使用されます。同社は、ABS、PC、PEEK、PET、PLA、PPなどの幅広いポリマーを処理してきました。彼らは現在、PEKKと低融点PAEKを調査しています。

CEADはロボットアーム用の小型の押出ヘッド（上）とそのCFAM Prime（下）ガントリーベースのマシンで、ビルドボリュームは4m x 2m x1.5mです。
出典：CEAD

暖房ゾーンとガントリーvs.ロボット

現在、CEADは、4つの加熱ゾーンを備えたロボット押出機とそのガントリーベースの CFAM Prime を提供しています。 機械、4 x 2 x 1.5メートルのビルドボリュームと押出機内の10の加熱ゾーン。 「私たちは2017年に開発を開始しました」とLogtenbergは言います。 「プリントヘッドは、射出成形で一般的に使用される単軸押出機に基づいています。材料を徐々に加熱するゾーンが必要です。これにより、大量の材料を押し出すために必要な大量の圧力（50〜60バール）を加えることができます。ペレットはバレルに移され、そこで溶けてから、圧縮して押します。加熱が速すぎると、押出機に圧力がかかりません。」

なぜ押出機/プリントヘッドを個別に販売するのですか？ 「顧客はまた、ロボットアームが独自の機械を構築するためのより小さな押出機を望んでいましたが、連続繊維を使用せず、直接押出しました」とLogtenberg氏は言います。では、なぜCFAMプライムにガントリーを使用するのでしょうか。簡単な答え：精度と速度。 「ロボットは相対的な精度が非常に優れています」と彼は説明します。「しかし、ロボットがポイントAからポイントBに到達する方法は不正確です。 3D印刷では、正確に継続的に移動する必要があります。 高品質の完成品を作成するためです。」

「もう1つの問題は速度です」と彼は続けます。 「私たちは、工業生産のためだけでなく、高解像度の高出力を望んでいました。押出機を使用したロボットアームは4m / minで移動できます。これはロボットとしては非常に高速ですが、ガントリーマシンは 60 m / min で移動できます。 。」

ガントリーは速度を提供しますが、ロボットアームの押出機は依然として多軸印刷を提供します 。 「多軸印刷を使用して、z方向のプロパティ（通常はスライスでの印刷）に関する現在の課題を克服することに関心があります」とLogtenberg氏は認めています。 「私たちは最初にガントリーシステムを開発しましたが、今ではロボットアームで同じ制御を提供するシーメンスの新しい制御システムを使用しています。そのため、 5軸マシンの開発を行っています。 。ガントリーシステムはさらに高速ですが、この新しいシステムは真の多軸配置を提供します。」彼は、5軸CNCフライス盤の構成と同様に、2つのシステムを組み合わせることを想定しています。

密閉されたチャンバーを備えたCFAMプライムマシン（下部）。
出典：CEAD

冷却と制御

3D印刷の問題の1つは、収縮の制御です。 プラスチックマトリックスの。 CFAM Primeは当初、サーマルカメラからの入力で管理される赤外線（IR）加熱を使用していましたが、Logtenbergは、このシステムが複雑な形状を印刷するときに不均一な加熱を生成したことを認めています。 「私たちはまだ密閉されたプリントチャンバーを使用していました 現在、加熱プリントベッドを開発中です。 」と彼は言います。 「これにより、より均一な熱が提供されます。システムの監視と管理には、引き続きサーマルカメラを使用します。同じ部品を6か月間隔で2回印刷すると、印刷チャンバー内の温度プロファイルと条件は同じになります。」

Logtenbergは、CFAM Primeは非常に多くの物質を押し出すため、その中に多くのエネルギーがあると述べています。 「そのため、印刷が安定するのに十分な速さで冷却するのは困難です。レイヤーを冷却して、印刷時に安定させる必要があります。」と彼は付け加えます。この冷却はどのように達成されますか？ 「強制空気を使用し、その多くを使用します」とLogtenberg氏は言います。彼は、プリントベッドと密閉されたプリントチャンバーに熱を加えることは、反りを制御することの一部であると述べています。 「あなたは冷たい層の上に熱い層を置いています。ただし、一部の素材では150°Cを超えるTgを超えて素材を維持したいのですが、その上に印刷しても安定しています。」このプロセスを使用しても、Logtenbergは、成形品には常にある程度の熱応力があると指摘しています。 「パーツから緊張を取り除くために、いくつかの後処理ステップを実行できます。」

複数の加熱ゾーンを備えたロボット押出機。
出典：CEAD

CEADは、Siemensシステムを使用してマシンを制御します。 「これらはよく考えられており、プロセスと材料の複雑な課題に対処できます」とLogtenberg氏は説明します。 CEAD 独自のソフトウェアを作成 シーメンスシステムの背後にあり、簡単なユーザーインターフェイスを提供します。 「このマシンは、産業用フライス盤で使用される標準でもあるGコードで動作します」と彼は述べています。 「これにより、パーツのプログラミングに自由が与えられます。オープンソースのスライサーだけでなく、 Siemens NX も使用できます 、これは強力なソフトウェアツールです。」

Logtenbergは、顧客は自分が行きたい複雑さを選択できると言います。 「私たちのアプローチは非常にオープンソースです 、さまざまな種類の印刷ソフトウェアを使用できるようにします。したがって、顧客が非常に簡略化された印刷を希望する場合は、ボタンを押すだけです。ただし、より高度なソフトウェアを使用することもできます。ただし、その場合、顧客はこれの使用方法に関する知識を持っている必要があります。私たちのビジョンは、人々が何を使いたいかを決定し、サポートすることです。 。」 Logtenbergは、CEADは消費者ではなく企業に販売していると述べています。 「それで、私たちはより多くのサポートを提供する能力を持っています。」

印刷された部品とプロパティ

「連続繊維で印刷された部品と細断繊維で印刷された部品の違いを感じることができます」とLogtenberg氏は述べています。 「しかし、まだプロパティをテストしていません。」これが次のタスクです。これで、マシンの開発と最初の起動が完了しました。 「今年は、材料の完全な特性評価と、材料の組み合わせごとに圧縮強度、剛性などを備えたデータシートの開発に取り組みます」と彼は付け加えます。

ボイド含有量と繊維量の決定も、この特性評価作業の一部です。 「私たちの繊維含有量は現時点ではそれほど高くありません」とLogtenbergは認めています。 「チョップドファイバーペレットを使用している場合、たとえば、繊維の重量は30％です。全体的な出力とボリュームが大きいため、連続ファイバーを追加すると、これにさらに10％しか追加されません。」

ボイド含有量を減らすための圧縮はどうですか？ 「ノズル自体が層を圧縮しています」とLogtenbergは言います。 「レイヤーの高さと幅は適切である必要があります。あなたがその権利を持っているなら、あなたは層間の良好な接着を得るでしょう。」彼は、高さと幅の比率について説明しています。 印刷された層に圧縮力を与え、層に十分な融合を得るのに十分な熱を与えるために、適切な範囲内にある必要があります。 「たとえば、高さ5 mm、幅5 mmの印刷層では、圧縮力はほとんどありません」と彼は述べています。 「高さ5mmのレイヤーの場合、幅10mmが必要です。」

CEADは、CFAMPrimeの印刷品質を継続的に改善しているとLogtenbergは言います。 「動的に印刷するための多くの内部ソフトウェアを開発しました。」彼は、機械が方向を変えるために減速しなければならない間、押出機が材料を押し出しているため、コーナーに問題があったと説明します。 「私たちは今、その問題を解決しました。 プロセス制御を改善するために、センサー、ダイナミクス、層温度などを使用して追跡を開発し続けています。 。」

CFAMPrimeを使用した複雑な形状の印刷。
出典：CEAD Instagram、2019年3月

海洋および建設用の機械

Logtenberg氏によると、CEAD Primeの産業生産能力の最初のターゲットは、印刷された複合部品がエンドサービスに直接使用できるほど優れているため、海洋および建築およびインフラストラクチャ市場です。実際、最初の顧客は Royal Roos （オランダ、ロッテルダム）、海洋工学および建設会社、およびポリ製品 （オランダ、ウェルケンダム）、海洋、建築、工業、レクリエーション、運輸の各セクターで活躍する複合材製造業者。

そうは言っても、CFAM Primeは、特に海洋構造物の型の印刷にも使用されています。 「これが、ロボットアームを採用した理由です」とLogtenberg氏は言います。「そして CNCフライス盤を追加しました。 、[Thermwoodによる] LSAMマシンによく似ていますが、少し小さくて安価です。」

「EUでは、海洋の建設率は低下しています」と彼は言います。 「労働力が非常に高いため、生産は中国に行きます。ですから、私たちは競争する方法を確立しようとしています。また、自動車、航空宇宙、その他の輸送など、他の市場も検討しています。」

海洋・建設市場の反応は良好です。 「私たちは、マシンが何ができるかを示すために多くのプロジェクトを行っています」とLogtenbergは言います。 「昨年秋に発売された後、売上は私たちが思っていたよりも遅くなりました。しかし今では、プロジェクトの加速により、順調に進んでいます。 と機械の開発。」

これらの新しい市場のために、CEADは新しい材料を模索しています。たとえば、SABICの材料の耐火性をテストしています。 列車メーカーと話します 。連続繊維を印刷する機能を備えたCFAMは、ワイヤーおよび/またはセンサーを使用した印刷にも使用できます。 ？ 「私たちはこれを調査しています」とLogtenbergは言います。 「私たちは会社と協力して鋼繊維を埋め込む 、これも導電性です。」

将来のビジョン

多くの 従来の複合材料業界では、3D印刷された連続繊維複合材料が、繊維含有量が低く、印刷層間の層間剥離の可能性が高い場合に、従来の複合材料とどのように競合できるかを疑問視しています。 「確かに、z方向の強度は、3Dプリントされた複合材料にとって最も難しいものの1つです」とLogtenbergは同意します。 「現在、従来の複合材料と競合していません。生産は完全に自動化されているため、将来的には従来の複合材料と競争できると信じていますが、まだ先は長いです。現在、これは現在の製造方法への追加であり、柔軟性を提供し、設計と製造の可能性を開きます。」

発売時のCFAMPrimeマシン2018年。
出典：CEAD