UV硬化型熱硬化樹脂で連続繊維3Dプリントの商業ポテンシャルを解き放つ

CF3D技術は、スナップキュア型熱硬化材料を使用し、高コスト、長いリードタイム、設計制約を削減します。Photo Credit: Continuous Composites

2020年9月、連続繊維3Dプリントの専門企業コンティニュアス・コンポジッツ（米国アイダホ州コーダレーン）は、特殊材料企業アルケマ（フランス、コロンブ）のサルトマー事業部を通じて戦略的提携を発表し、コンティニュアス・コンポジッツの特許取得済み連続繊維3D（CF3D）プリント技術と、アルケマの光硬化型N3xtDimension樹脂ソリューションを組み合わせました。この組み合わせにより、幅広い用途と業界のニーズに対応する先進材料ソリューションのライブラリの開発、認証、商業化が期待されています。

光硬化樹脂と連続繊維3Dプリントの融合

現在、アルケマの先進材料セグメントは、熱硬化性と熱可塑性を含む多くの材料、コンポジット分野での多くのプロセスと用途（3Dプリントや従来の製造プロセスを含む）にわたっています。サルトマー事業部は、コーティング、接着剤、3Dプリントフィラメントなどの形で、数十年にわたりUV硬化材料を提供してきたと、サルトマーのグローバル3DプリントチームR&Dディレクター、ジェフリー・クラン氏は述べています。

CF3Dプリントシステムを補完するために、コンティニュアス・コンポジッツは、航空宇宙からエネルギー、防衛まで、様々な業界の顧客が要求する高性能な機械的要件を満たす樹脂カタログを必要としていました。「当社のビジネスモデルは、マシンとそれに対応するソフトウェアと樹脂を提供し、これらの顧客が特定の業界用途で目指すコンポーネントを製造できるようにすることです」と、コンティニュアス・コンポジッツCEOのタイラー・アルバラード氏は語ります。

ガラス転移温度（Tg）や火災・煙・毒性（FST）などの高い機械的特性の必要性から、熱硬化性樹脂に焦点が当てられましたが、アルバラード氏はCF3D技術が熱可塑性樹脂も使用可能であることを指摘しています。「当社のコアコンピテンシーは、ドライ連続繊維を取り、スナップキュア（この場合はUV硬化）型樹脂で含浸させることです。このスナップキュア熱硬化アプローチに注力しており、コンポジット構造がフリーフォームでその場で形状を取れるようにし、連続繊維の異方的特性を活かし、極めて軽量で非常に強靭な複雑な有機形状を作り出せます。繊維含有率が非常に高く、低気孔率の高品質コンポジット積層板を製造できます。」

サルトマーのN3xtDimension液体樹脂（アルケマの新しく立ち上げた「3D Printing Solutions by Arkema」プラットフォームの一部）と、炭素繊維、ガラス繊維、ダイニーマ、アラミドなどの構造繊維の組み合わせが理想的なマッチであることが判明し、現在、様々な機械的特性要件を満たすUV硬化樹脂のライブラリ開発に取り組んでいます。

熱硬化不要で高速プリントと無支持造形を実現

樹脂の機械的特性に加え、最終部品に熱硬化が不要であることは、CF3Dの最も革新的な2つの特長を可能にします：高速プリント速度と、オープンエアでの無支持造形能力です。「通常、コンポジットを積層する際には、積層を支えるツーリング/金型が必要です」とアルバラード氏は説明します。「しかし、構造フィラメントで強化されたスナップキュア熱硬化樹脂を使用するため、その材料を硬化させ、サポート材なしで形状を保持できます。」これにより、金型の調達にかかるコストとリードタイムが排除され、金型を考慮した設計という制約が取り除かれます。「今では繊維を多方向に制御できます……無支持造形が可能になったことで、大きなギャップをまたぐユニークなオーバーハング形状を実現できます。」

さらに、CF3Dは「非常に安定したマシンであり、従来の熱可塑性マシンよりも大幅に高速にプリントできます」とアルバラード氏。これらの速度は、熱可塑性ではなく熱硬化性を使用することで、積層内の温度勾配管理や反り（ワーページ）といった問題が解消され、またUV光硬化を使用するため加熱プロセスによる制限を受けないことで実現されています。

プリント速度には2つの変数があると同氏は付け加えます：材料硬化とプリント精度。「問題は樹脂ではなく、硬化時間です。ボトルネックはマシンです」と同氏は指摘し、ロボットがモーションプラットフォームとして元々は繰り返しのポイントAからポイントBへのピックアンドプレース動作向けに設計されており、必ずしも3Dプリントに必要な精度向けではないことを指摘します。「当社チームは実際、CNCコントローラーを3Dプリントシステムの基盤となるモーションプラットフォーム制御として独自に統合開発し、ポイントを正確かつ繰り返し移動できるようにすることで、現在のプリント速度を大幅に向上させることができました。」CNCコントローラーを使用し、来年にかけてシステムのプリント速度を最大3倍に引き上げる計画です。

あらゆるイノベーションと同様、課題もあります。サルトマーのクラン氏によると、サルトマーのUV硬化樹脂技術をより高性能・構造用途に移行させる際の課題の一つは、耐熱性の向上です。「230℃近くまで達成しており、非常に興味深い新しいタイプの用途に踏み込めます。」

アルケマのジェイン氏は、「このパートナーシップでは、ボトムアップで複合材の製造方法を変革しています。これは簡単ではありません。すでに4年間協力してきましたが、まだ始まったばかりです。」と語っています。