3D印刷複合材料：入門ガイド
アディティブマニュファクチャリングは、PEEKのような高性能熱可塑性プラスチックから、チタンのような航空宇宙対応金属まで、幅広い材料で使用できます。
ただし、エンジニアが2つの異なる材料の特性を組み合わせたい場合があります。これを行うための最良の方法のひとつは、複合材料を使用することです。 。 FDMやSLS（および新しいテクノロジー）などのプロセスで使用される複合材料には、通常、ベースの熱可塑性材料が含まれています。 および補強要素 炭素繊維など。補強材を統合する方法と同様に、2つの要素間の比率は変化する可能性があります。
3D印刷技術が向上し続けるにつれて、3D印刷可能な複合材料の使用がより広範になりつつあります。また、それらの使用は産業にも限定されません。一部の複合材料（SLS粉末など）は、主に産業ユーザーを対象としています。 、その他（細断繊維強化熱可塑性プラスチックなど）は、消費者および専門家向けの中価格のFDM3Dプリンターで使用できます。 。
この記事は、3Dプリント複合材料の入門ガイドとして機能します。いくつかの一般的な複合材料と複合印刷技術を調べ、チョップドファイバーと連続繊維複合材料の違いを説明し、3D印刷複合材料の主な用途と利点を検討します。
複合3D印刷材料とは何ですか？
簡単に言えば、複合材料は、2つ以上の異なる材料で構成された材料です。 。複合3D印刷のスペシャリストであるMarkforgedは、複合材料を「複数の材料で構成されており、組み合わせると元の材料とは異なる特性を持つ」と定義しています。
3D印刷以外の複合材の例には、合板（さまざまな木製のベニヤの層）や鉄筋コンクリート（棒鋼で強化されたコンクリート）が含まれます。
3D印刷では、複合材は通常、熱可塑性プラスチックの組み合わせです。 ベース材料（マトリックス）と補強 炭素繊維、グラスファイバー、グラフェン、などの元素 またはケブラー 。 （PLA + ABSなどの2つの熱可塑性プラスチックの混合物は、通常、ブレンドと呼ばれることに注意してください。 、複合材料ではありません。）ベース材料は事実上何でもかまいませんが、産業ユーザーは通常、補強要素がなくても優れた材料特性を持つプレミアム熱可塑性プラスチックを使用します。このようなプラスチックには、PC、ナイロン、PEEKなどがあります。
複合材料はさまざまな材料形態をとることができますが、最も一般的なのは選択的レーザー焼結（SLS）用の混合粉末です。 および混合溶融堆積モデリング（FDM）用フィラメント 。あまり一般的ではありませんが、特にエキサイティングなのは、連続繊維と組み合わせたベース材料で構成された複合材料です。 これは、新しいプロセスを使用して、印刷中に熱可塑性マトリックスにねじ込むか織り込むことができます。このようなプロセスでは通常、2つのノズルが必要です。1つは熱可塑性プラスチックを堆積するためのもので、もう1つは連続繊維を分配するためのものです。最後に、バット光重合用のコンポジットレジンの数も限られています。 ステレオリソグラフィー（SLA）のような3D印刷プロセス。この技術により、熱硬化性樹脂ベースの材料を補強繊維の骨格の周りで硬化させることができます。
人気のある複合3D印刷材料
粉末、フィラメント、またはその他の形態のいずれであっても、複合3D印刷材料は通常、その高い強度のために開発されています。 、高い剛性 、良好な寸法安定性 、および優れた重量に対する強度 比。繊維は非常に軽量で、熱可塑性プラスチックの質量を増やすことなく、熱可塑性プラスチックの強度を大幅に向上させることができます。 3Dプリントされたエンジニアリングコンポジットは、金属の代わりに使用することもできます。
FDM 3D印刷複合材料のベース熱可塑性プラスチックは、 PLAなどのコモディティポリマーにまで及びます。 およびABS スケールの最も安い端で、 PEEKのような高性能ポリマーに プレミアムエンドで。 ナイロン は複合SLS粉末に使用される主な材料ですが（一般的にレーザー焼結で使用される主な材料であるため）、 PAEKのような高性能材料です。 使用することもできます。
コンポジット全体（3D印刷以外を含む）を見る場合、グラスファイバー は最も人気のある補強材であり、3D印刷複合材にも広く見られます。ただし、積層造形では、炭素繊維 複合3D印刷は、炭素の優れた強度が追加費用の価値がある多くの重要なアプリケーションに使用されるため、ガラスよりもはるかに広く使用されています。他の補強材には、ケブラーとグラフェンが含まれます。
ベースマテリアル
- ポリアミド/ナイロン（PA）：
援軍
市場に出回っているブランドの複合材料の例には、EOSのが含まれます。 PA 640-GSL 、ガラスビーズと炭素繊維で強化されたPA12ナイロンSLSパウダー;3DXTechのCarbonXPETG + CF 、チョップドカーボンファイバーで強化されたPETGFDMフィラメント。およびMarkforgedのオニキス 、Markforged独自の複合印刷技術を使用して連続繊維で強化することもできる炭素繊維で満たされたナイロンベース材料。
複合材料の3D印刷プロセス
いくつかの例外を除いて、複合3D印刷の主要な3D印刷技術は、溶融堆積モデリング（FDM）、選択的レーザー焼結（SLS）、および連続繊維印刷の新しい技術です。
FDM
FDMは、プラスチック部品に最も広く使用されている3D印刷プロセスであり、多くの中価格帯の機械は、炭素繊維強化ABSなどの複合材料を処理できます。 FDMの複合材料は、熱可塑性のベース材料と（通常は）細断された不連続繊維で構成されます。これらの繊維は印刷部品を強化および硬化させることができますが、大量に使用するとフィラメントの印刷が困難になり、表面品質に悪影響を与える可能性があります。
SLS
SLSは、複合部品の製造に適したもう1つのプラスチック3D印刷プロセスです。 SLSシステムのコストと複雑さのために、このテクノロジーは主に産業ユーザーによって使用されます。材料は、熱可塑性粉末（多くの場合ナイロン）と、チョップドファイバーやガラスビーズなどの補強要素の混合物です。複合SLS粉末は普遍的ではないことに注意してください。 EOSのようなハードウェアメーカーは、複合印刷専用のマシンを製造しています。
新しい連続繊維プロセス
アディティブマニュファクチャリングの最も最先端の分野の1つは、連続繊維を使用した複合材料の印刷です。これについては、次のセクションで説明します。 Markforged、Desktop Metal、Orbital Composites、9T Labs、Anisoprintなどの企業はすべて、印刷中に連続繊維を熱可塑性部品に統合できる複合積層造形ハードウェアを開発しました。通常、個別のノズルを使用して個々の層に連続繊維を供給します。
>チョップドファイバーと連続ファイバーコンポジット
強化繊維を使用した複合3D印刷材料は、チョップドファイバーコンポジットと連続ファイバーコンポジットの2つの異なるカテゴリに分類できます。したがって、2つの異なる複合材料にはまったく同じ構成材料が含まれている可能性がありますが、繊維が切り刻まれているか連続しているかによって、動作が大きく異なる可能性があります。
- チョップドファイバー カーボンやケブラーのような補強材の小さなストランドです。通常、測定値は1ミリメートル未満です。 長さでは、これらのストランドを熱可塑性マトリックス（PLA、ABSなど）に簡単に混合できるため、通常のプラスチックの強度と剛性が向上します。チョップドファイバーは非常に用途が広いため、非常に便利です。 ：それらは多種多様な熱可塑性プラスチックと混合することができ、得られた複合材料は通常の3Dプリンターで印刷することができます。ただし、チョップドファイバーをベース材料に混合すると、個々のファイバーはランダムな配向になります。 、これにより、材料は連続繊維の材料よりも強度が低くなります。
- 連続繊維 一方、は長く、一方向です。 熱可塑性マトリックスに統合されたときに、チョップドファイバーと比較して非常に優れた強度を提供する補強材のストランド。これは、ストランドがその全長にわたって荷重を吸収および分散できるため、連続長が長いほど耐荷重能力が高くなるためです。 小さな刻んだストランドよりも。過去5年ほどで、連続繊維複合3D印刷が主流になり、いくつかのメーカーが独自の技術を開発しています。言うまでもなく、専用のハードウェアが必要なため、連続繊維複合印刷はチョップド繊維複合印刷よりも高価です。
複合材料の用途
複合材料は多くの産業で多くの用途があり、用途はプロトタイプに及びます。 、最終用途部品 、およびツーリング 。
アディティブマニュファクチャリングと3D印刷複合材を使用するセクターには、航空宇宙、自動車、電子機器、消費財、医療、が含まれます。 および産業用 。これらの業界のほとんどは、複合3D印刷を使用して、小規模な高剛性部品を製造しています（ただし、一部の大判押出ハードウェアは複合材料を印刷できます）。
強化された材料は金型やアームの端のツーリングに理想的であるため、ツーリング（小規模または大規模）は、複合3D印刷に特に関連するアプリケーションです。
特定の技術に関しては、連続繊維3D印刷は、まだ初期段階であり、チョップドファイバー3D印刷技術ほど広く使用されていませんが、（FDMまたはSLSと比較して）潜在的なアプリケーションの最大範囲を提供します。
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