複合材料を理解する

以前のブログ投稿では、最も人気のある3D印刷熱可塑性プラスチックの主な違いを分析しました。熱可塑性プラスチックは、溶融温度が低く、印刷が一般的に簡単なため、すばやく簡単に部品を製造できますが、強度、剛性、耐熱性などの機械的特性に関しては、望ましいものがあります。幸いなことに、Markforgedは、溶融フィラメント製造（最も一般的な熱可塑性印刷プロセス）と同様の技術を利用して、ほぼすべての点で熱可塑性プラスチックの特性を超える3D印刷複合材料を開発しました。

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コンポジットとは何ですか？

複合材料は、2つ以上の物質から作られた材料であり、組み合わせると、元のコンポーネントとは異なる特性を持ちます。それらは、マトリックスと補強の2つの主要な要素で構成されています。典型的な繊維複合材料の場合、補強材（たとえば炭素繊維またはガラス繊維）は好ましい形状に形成され、次にその構造を保持するためにマトリックス（多くの場合エポキシまたは熱可塑性プラスチック）で覆われます。複合材料は、材料の組み合わせから生じる相乗効果により、低密度を維持しながら熱可塑性プラスチックよりもはるかに優れた性能を発揮できるため、有益です。実際、多くの炭素繊維レイアップは、10分の1の重量で鋼よりも強力です。

多くの異なる複合材料を構成するマトリックスと補強材には多くの種類があります。この投稿では、Markforgedの3D印刷された複合材料、それらの特性、および理想的なアプリケーションについて具体的に見ていきます。

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3Dプリントコンポジット

他の複合部品と同様に、Markforgedの3D印刷された複合材料は、マトリックスと補強材の2つのコンポーネントで構成されています。私たちのマトリックスはナイロンベースの熱可塑性プラスチックであるオニキスと呼ばれ、補強材は私たちの4つの連続繊維の1つです。これらの強化繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、高強度高温ガラス繊維、およびケブラー®が含まれます。

グラスファイバー

ガラス繊維は、当社のエントリーレベルの補強繊維です。名前が示すように、それはフィラメントに一緒に結合されたガラス繊維で構成されています。ガラス繊維は、安価でありながら高性能であるため、初心者向けの補強繊維として適しています。たわみでは、グラスファイバーはABSの4倍の強度と11倍の剛性があります。これは、熱可塑性プラスチックが提供できるよりも高い強度を必要とする工業用工具、備品、およびワークホールディングの3D印刷を開始するための効果的な方法を提供します。

カーボンファイバー

炭素繊維は、Markforgedの補強繊維の中で最も強くて硬いものです。強度と重量の比率は6061アルミニウムのほぼ2倍であり、3Dプリントされた炭素繊維部品は金属から機械加工された部品よりも優れた性能を発揮します。炭素繊維はまた、応力がかかったときに最小限のたわみを与え、アルミニウムの上にエッジを与え、負荷がかかると塑性変形します。

炭素繊維の強度は金属に匹敵するため、お客様は通常の機械で使用する部品の印刷に使用することがよくあります。これには、ソフトジョー、最終用途部品、および生産成形ツールが含まれます。

ケブラー

ケブラーは、独自の品質を備えた、より特殊な補強繊維です。それは非常に耐久性があります。ケブラーで補強された部品は、失敗することなく打撃を受けることができます。また、Markforgedの補強繊維の中で最も軽量で、密度は他の繊維より15〜20％低くなっています。ケブラーの最も顕著な特徴の1つは、強度を失うことなく塑性変形する能力です。ケブラーで補強された部品は、最大に向かって負荷がかかったときにある程度のギブを可能にし、より段階的な故障モードをもたらします。たとえば、より剛性が高いがはるかに脆い炭素繊維は、完全に破損し、最大負荷時に警告なしに機能します。一方、ケブラーは、繊維が一度に1つずつ破損し始めるまで変形し、はるかに予測可能な破損を提供します。

ケブラーは密度が低く耐久性に優れているため、多くの動きや他の部品との繰り返しの接触を伴うアプリケーションに最適です。お客様は、3Dプリントのエンドエフェクター、クラッシュテストダミーズ、機械的停止、および可変負荷を伴うその他のアプリケーションに使用します。

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高強度高温グラスファイバー

HSHTグラスファイバーは別の特殊な補強材です。名前が示すように、それはグラスファイバーの耐熱性、高強度バージョンです。華氏300度までの温度で剛性を維持します。 HSHTはまた、信じられないほどの耐衝撃性を示します。ABSの30倍、PLAの100倍以上です。さらに、HSHTグラスファイバーは当社の最も弾性のあるファイバーです。荷重がかかるとたわみ、荷重を取り除くと元の形状に戻ります。これは、永久変形せずに繰り返したわみを必要とする部品に有利な特性です。

上記の特性により、HSHTは、特定の製造プロセスで繰り返しクランプおよび熱衝撃が発生した場合の塑性変形に耐えることができます。お客様は、HSHTから3Dプリントの溶接固定具、サーモフォーム、熱硬化性金型、射出成形インサート、ブロー金型、およびその他の高衝撃高温用途の部品を利用しています。

複合3D印刷

複合3D印刷により、設計者とエンジニアは、製造サイクル全体を通じて、さまざまな材料特性のセットをアプリケーションに活用できます。この投稿で取り上げた4つの繊維が示す特殊な特性により、これまでにない方法で積層造形を適用する機会が開かれます。

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