連続繊維3Dプリントのコスト削減：イノベーションと戦略

DLR複合構造・適応システム研究所（ドイツ・ブラウンシュヴァイク）は軽量構造分野の主要研究機関で、設計から認証、デジタル化とインダストリー4.0、リサイクル、アディティブ・コンポジット構造の4つの戦略分野で新技術を追求しています。CWは今年初め、同研究所のEmpowerAXイノベーションラボについて報道しました。これは、連続繊維強化材料の3Dプリントへの産業移転を加速・強化・拡大するものです。同研究所はまた、アディティブ押出のシミュレーション、3Dプリント向け熱可塑性樹脂の改質、連続繊維入りプリンターフィラメントの製造など、多数のR&Dプロジェクトを完了させています。

最後のプロジェクト「ENDLOSEFFEKT（エンドレス・エフェクト）」は、無限長繊維強化材料の生産性、品質、コスト改善を目的としています。「プリインプレグネート連続繊維プリントフィラメントの入手性は限られています」と、DLR複合構造・適応システム研究所でアディティブ・マニュファクチャリングを担当するマイク・ティツェ氏は説明します。「利用可能な材料の種類が限られ、材料価格も高いため、応用の障壁となっています。標準的な切断繊維充填FDM[溶融積層造形]フィラメント製造に使用される同一設備で、連続繊維強化フィラメントも製造できるインプレグネーションノズルを設計したいと考えました。この設備は3Dプリンターフィラメントメーカー向けで、連続繊維強化材料による3Dプリントコストを削減することが目標です。」

現在、ほとんどの連続繊維強化3Dプリンターフィラメントは、連続繊維プリント機を販売する同じ企業が製造しており、各材料は特定のプリントシステム向けに開発・最適化されています。これらの材料は比較的高価です。

「乾燥ファイバーならどのサイズでも、例えば1Kカーボンファイバートウから50Kまで、汎用熱可塑性ペレット/顆粒から直接溶融インプレグネーションを行う押出で始められます。これは非常にコスト効率が良いからです」とティツェ氏は言います。「ポリマー粉末やフィルムを製造する必要がなく、高価なプレスや数百本のローラーを使わずにファイバーのインプレグネーションが可能です。したがって、プロセスがよりアクセスしやすく、安価になります。」

プレス、ベルト、ローラーの代わりに、DLRは超音波を用いたシステムを考案しました。「19.5キロヘルツのソノトロードを用いて、ファイバーを包む溶融熱可塑性樹脂に振動を与えます」とティツェ氏は説明します。「これによりマトリックスと補強材が 1秒間に19,500回振動し、非常に良好なインプレグネーションが得られます。」

プロセス経路はファイバー広げと加熱から始まります（図1）。この補強材は密閉チャンバーに送られ、溶融ポリマーが注入されます。ファイバーがこのチャンバーを通過する際、溶融樹脂がファイバーをコーティングします。「ファイバーとポリマーは超音波チャンバーに進みます。長さ80ミリメートルと非常に小型・コンパクトです」とティツェ氏は指摘します。「ソノトロードから放出される振動がファイバー強化ポリマーフィラメントに伝わり、希望の形状でノズルから押し出されます。例えば、ノズルは円形やフラット形状にできます。」

図2の顕微鏡写真は、50%ファイバー体積率でポリ乳酸（PLA）、ポリアミド（PA）、ポリエーテルイミド（PEI）にインプレグネートされた12Kカーボンファイバーを示しています。ファイバー体積率はダイノズル設計により30-50%で調整可能で、60%まで可能とティツェ氏は述べます。「全体的にプロセスにはさらなる作業が必要ですが、5ミリメートル/秒のライン速度で良好な初期結果が得られていますそして。」同氏はこれが遅く経済的ではないと認めつつ、6月にはすでに3メートル/分を目標とした新装置設計のテストが予定されていたと述べています。

「通常、速度は10メートル/分程度に近いはずです」とティツェ氏は言います。「しかし、この技術は新しい材料組み合わせの柔軟な生産も意図しているため、多少速度が低くても小ロット生産を経済的にするのに役立ちます。」

DLRが開発したプロセスは特定の材料に限定されず、あらゆるファイバーやポリマーが使用可能だとティツェ氏は言います。「プロセスがハイブリッド化し、新材料が必要とされる中でこれは重要です。3Dプリント用材料がより競争力を持たなければ、連続繊維3Dプリントに偉大な未来はありません。熱可塑性ペレット/顆粒を使用することでコストを大幅に削減でき、装置も小さな設置スペースに収まるため、中小企業でも導入可能です。」

DLR複合構造・適応システム研究所はこのプロジェクトを2019年10月に開始し、2022年1月に完了予定です。「目標は技術をさらに小型化し、プリントヘッドに統合することです」とティツェ氏は言います。「つまり、プリントとインラインでの直接インプレグネーションです。両アプローチが産業界に移転されます。」同氏は、政府系非営利組織としてDLRは何も「販売」せず、したがって排他的権利も主張しないと説明します。「プリントヘッドサプライヤーを巻き込み、材料価格を全般的に引き下げ、連続繊維アディティブ・マニュファクチャリングの産業応用を拡大することが狙いです。」