アディティブ マニュファクチャリングの革新：大規模ファイバー強化熱硬化性樹脂3Dプリント

コンポジット用途機器の大手メーカー、マグナス・ビーナス・プロダクツ（MVP）は2017年、リアクティブ アディティブ マニュファクチャリング（RAM）マシンの開発を開始しました。同年、熱硬化性ポリマー、ゲルコート、SMCのサプライヤーであるポリントは、オークリッジ国立研究所（ORNL）と協力して、RAMシステムで使用するリアクティブ材料の開発を開始しました。CAMX 2018（10月15-18日、テキサス州ダラス）では、チームの取り組みが「熱硬化性材料用大面積3Dプリンター」としてACEインフィニット ポシビリティ アワードを受賞しました。今週、CWは、エネルギー省（DOE）のORNL製造実証施設（MDF）で、この3社パートナーが世界初の大規模熱硬化性コンポジット アディティブ マニュファクチャリング システムを実演する発表イベントに参加しました。

MVPのリアクティブ アディティブ マニュファクチャリング（RAM）マシンとポリント リアクティブ デポジション PRD-1520プリント材料がオークリッジ国立研究所（ORNL）で実演されました。出典：CW

リアクティブ アディティブ マニュファクチャリング（RAM）

UV硬化型熱硬化性樹脂での3Dプリント技術は開発されていますが、RAMとポリント リアクティブ デポジション PRD-1520プリントメディアは、現在のビルドエンベロープが8フィート×16フィート×3.5フィート（約2.4m×4.9m×1.1m）という大規模システムとして、UV活性化なしで常温硬化するリアクティブ樹脂を使用する初のシステムです。この技術は、低コスト治具、サーモフォーミング金型、オートクレーブ金型、さらに幅広い用途を対象としています。「RAMは、優れた熱特性を持つ、より強靭でエネルギー効率の高い製品を提供します」とMVPのCEO、ボブ・バンダーホフ氏は説明します。

RAMシステムには、大型プリントプラットフォームと床置き型MVPポンプシステムが含まれ、コンピューター制御ガントリーにはプリントヘッドのみが搭載されています。ポンプシステムは、短繊維強化ビニルエステル樹脂と過酸化物開始剤をプリントヘッド内のスタティックミキサーに精密に計量・定量供給します。混合樹脂は、ほとんどの溶解積層造形（FDM）システムと同様にノズルから押し出されます。「直径1.2ミリのノズルを使用して、プリント速度は約1.2メートル/秒です」とORNLの熱硬化性ポリマー/コンポジット アディティブ マニュファクチャリング技術責任者、ジョン・リンダール氏。「RAMはFDM並みのフィーチャー精度を維持しながら、毎時約7kg（15ポンド）という高出力を達成できます。」

出典：https://www.mvpind.com/3d-printer/

ビルドプラットフォームはモジュラー式で、8セグメントで構成されています。「各セグメントは容易に取り外し、インデックス可能です」とORNL製造科学グループリーダー、ヴラスティミル・クンツ氏。「指で動かせるほど軽いため、取り外して別のセグメントと交換し、後硬化や機械加工を行うことができます。」これによりプロセスがモジュール化され、大量生産に向けてスケール可能になります。「また、ピックアンドプレース ロボット機能もRAMに統合されており、必要に応じてセンサー、熱電対、RFIDタグ、発熱体などを埋め込めます」と同氏は付け加えます。

「RAMには赤外線カメラと光学センサーも搭載され、ビルド中の発熱と温度を監視します」とリンダール氏。「プリント樹脂と反応に基づき、必要な層時間、プリント速度（体積出力）、発熱温度を予測する1D熱化学流動モデルを半無限大壁（これらの材料で最も造形が難しい形状）で開発しました。このモデルは、RAMプリントパラメータの最適化と、ゲル化、硬化、完成プリント中のプリント樹脂の粘弾性挙動の完全な理解を導きます。」

RAMプリンターは赤外線カメラと光学センサーを装備し、発熱とORNLの熱化学流動モデルで定義された最適化パラメータへの準拠を監視します。出典：CW

効率性のためのポリント リアクティブ デポジション（PRD-1520）

PRD-1520は、ポンピングと3Dプリント向けに高粘度（250万〜300万cPs）で設計された、プレプロモート済みプレコンパウンド不飽和ビニルエステル樹脂です。MVP RAMプリンターでの使用向けに設計され、低収縮、熱変形温度（HDT）94℃/201°F、ガラス転移温度107℃/225°Fを実現しています。これは、3Dプリント フィラメント サプライヤーによると、PLAの56℃、ABSの88-98℃、ナイロンの110℃と比較されます。「しかし、PRD-1520の特許出願中の化学技術により、プリント層間の化学的結合が可能となり、Z方向強度が熱可塑性樹脂の2〜4倍になるなど、3Dプリント構造の特性が向上します」とポリントR&Dディレクター、スティーブ・ヴォークス氏は説明します。また、長いオープンタイム（ゲルタイム20-25分）により、「層間で長いインターバルを置いて、開始・停止を繰り返しながら大型構造をプリントできます」とも述べています。この、まだ柔らかい以前に堆積した材料へのプリント能力は、ツールパスの自由度を大幅に高めます。

「私たちが開発したツールパスは熱硬化性材料特有のものです」とリンダール氏は説明します。「疎なインフィルから始め、それをゼロボイド層で覆うことで、非常に効率的な構造をプリントできます。0°/90°の交互層から始め、単一のトランジション層で0°と90°のプリントパスを組み合わせ、その上にソリッドプリント層を重ねます。これにより、プリント材料、重量、プリント時間、コストを大幅に削減しながら大面積をプリントできます。」この技術を説明する技術論文が、ORNLポスドク研究者クリス・ハーシー氏によってCAMX 2019で9月26日木曜日午前10時に発表されます。「Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters」は、すでにCAMX 2019優秀技術論文賞とアディティブ マニュファクチャリング カンファレンストラック最優秀論文賞を受賞しています。

「PRD-1520を使用することで、RAMは現在、ポリマーおよびコンポジット材料向けの最もエネルギー効率の高い3Dプリンターです」とリンダール氏。特筆すべきは、熱硬化性材料にはヒーテッドテーブルやチャンバーが不要なこと、また熱可塑性ペレットを溶かすために通常必要な熱も不要なことです。

「ポリントとMVPとの相互に有益な協力関係を楽しんできました。次世代リアクティブ ポリマー アディティブ マニュファクチャリングを見据えています」とMDFディレクター、ビル・ピーター氏。「DOE先進製造局の支援により、この技術をさらに改善し、基礎科学をより深く理解しながら、業界パートナーと共に更なるエネルギー効率プロセスと用途を実証する基礎研究を継続する予定です。」

詳細は、CAMX 2019（9月23-26日、カリフォルニア州アナハイム）でMVPブースG2、ORNLブースS25を訪問するか、MVPのハンナ・ジェイ、ポリントのリック・パウアー、ORNLのジェニファー・バークまでお問い合わせください。