3Dプリント複合材料を探る：エンジニアのための実践ガイド

積層造形は、PEEKのような高性能熱可塑性樹脂からチタンのような航空宇宙グレードの金属まで、幅広い材料で使用できます。

しかし、時にはエンジニアは2つの異なる材料の特性を組み合わせたいと考えます。これを実現する最良の方法の一つが複合材料の使用です。FDMやSLS（および新規技術）などのプロセスで使用される複合材料は、通常、ベース熱可塑性材料と炭素繊維などの補強要素を含みます。2要素の比率や補強材料の統合方法は様々です。

3Dプリント技術の継続的な改善に伴い、3Dプリント可能な複合材料の利用が広がっています。その用途は産業界に限定されません：一部の複合材料（SLS粉末など）は主に産業ユーザー向けですが、他の材料（チョップドファイバー強化熱可塑性樹脂など）は中価格帯のFDM 3Dプリンターで一般ユーザーとプロフェッショナルの両方が使用できます。

本記事は、3Dプリント複合材料の入門ガイドです。人気の複合材料と複合材料プリント技術を見て、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プリント複合材料の主な用途と利点を考察します。

3Dプリント複合材料とは？

簡単に言えば、複合材料とは2つ以上の異なる材料で構成される材料です。複合材料3Dプリント専門のMarkforgedは、複合材料を「複数の材料で構成され、組み合わせることで元の材料とは異なる特性を持つもの」と定義しています。

3Dプリント以外の複合材料の例には、合板（異なる木材単板の積層）や鉄筋コンクリート（鉄筋で強化されたコンクリート）があります。

3Dプリントにおいて、複合材料は通常、熱可塑性樹脂ベース材料（マトリックス）と、炭素繊維、ガラス繊維、グラフェン、ケブラーなどの補強要素の組み合わせです（2つの熱可塑性樹脂の混合、例えばPLA+ABSは通常ブレンドと呼ばれ、複合材料とは呼びません）。ベース材料はほぼ何でも使用可能ですが、産業ユーザーは補強要素なしでも優れた材料特性を持つプレミアム熱可塑性樹脂を通常使用します。こうしたプラスチックにはPC、ナイロン、PEEKがあります。

複合材料は様々な材料形態を取り得ます。最も一般的なのは、選択的レーザー焼結（SLS）用の混合粉末と熱溶解積層法（FDM）用の混合フィラメントです。あまり一般的ではありませんが、特に注目すべきは、新規プロセスを用いて熱可塑性マトリックスに連続繊維をプリント中に糸のように通したり編み込んだりする複合材料です。こうしたプロセスは通常、熱可塑性樹脂を堆積させるノズルと連続繊維を分配するノズルの2つのノズルを必要とします。最後に、光造形（SLA）などの槽光重合3Dプリントプロセス向けの複合樹脂も限定的に存在します。この技術では、熱硬化性樹脂ベース材料が補強繊維スケルトンの周りで硬化します。

複合材料用3Dプリントプロセス

いくつかの例外を除き、複合材料3Dプリントの主要技術は、熱溶解積層法（FDM）、選択的レーザー焼結（SLS）、連続繊維プリント用の新規技術です。

FDM

FDMはプラスチック部品で最も広く使用される3Dプリントプロセスで、多くのミッドレンジ機が炭素繊維強化ABSなどの複合材料を処理可能です。FDM用複合材料は熱可塑性ベース材料と（通常）チョップド（不連続）繊維で構成されます。これらの繊維はプリント部品を強化・剛性化しますが、大量に含むとフィラメントのプリントが難しくなり、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一つのプラスチック3Dプリントプロセスです。SLSシステムのコストと複雑さから、この技術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粉末は汎用ではなく、EOSのようなハードウェアメーカーが複合プリント専用機を開発しています。

新規連続繊維プロセス

アディティブ製造において最も最先端の分野の一つは、連続繊維を用いた複合材料のプリントです。Markforged、Desktop Metal、Orbital Composites、9T Labs、Anisoprintなどの企業が、プリント中に熱可塑性部品へ連続繊維を統合する複合アディティブ製造ハードウェアを開発しています。通常、別のノズルで各層に連続繊維を送り込みます。

チョップドファイバー vs 連続繊維複合材料

補強繊維を含む複合材料3Dプリント材料は、チョップドファイバー複合材料と連続繊維複合材料の2つの異なるカテゴリに分けられます。したがって、全く同じ構成材料を含む2つの異なる複合材料でも、チョップドファイバーか連続繊維かによって、性能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は、炭素やケブラーのような補強材料の微小なストランドです。通常1ミリメートル未満の長さで、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、通常のプラスチックに強度と剛性を与えます。チョップドファイバーは非常に汎用性が高いため非常に有用です：幅広い熱可塑性樹脂と混合でき、結果として得られる複合材料は通常の3Dプリンターでプリント可能です。しかし、チョップドファイバーをベース材料に混合すると、各繊維がランダムな配向を取るため、連続繊維を持つ材料より強度が低下します。
連続繊維は、長い、単方向の補強材料ストランドで、熱可塑性マトリックスに統合されると、チョップドファイバーと比較して圧倒的に優れた強度を提供します。これは、ストランドが荷重をその全長にわたって吸収・分散できるため、より長い連続長さは微小なチョップドストランドより大きな荷重支持能力を持つからです。連続繊維複合材料3Dプリントが主流になったのはここ5年ほどで、いくつかのメーカーが独自技術を開発しています。言うまでもなく、連続繊維複合プリントは専用ハードウェアが必要なため、チョップドファイバー複合プリントより高価です。