超高繊維含有3Dプリント複合材：繊維含有率60%、ボイド率1%未満を実現

 

「私たちの主な目標は、産業用構造連続繊維複合材を生産することです」と、9T Labs（スイス・チューリッヒ）共同創業者のGiovanni Cavolina氏。「CFRP（炭素繊維強化ポリマー）部品を製造する人々に話を聞くと、連続繊維3Dプリントで超低ボイド含有や層間せん断強度（ILSS）の確保が可能だとは、ほとんど信じていません。」しかし、9T Labsはボイドを除去する特許取得済みの後処理プロセスを開発しました。「現在、層間接着性に優れ、ボイド含有率1%未満の連続繊維複合材を3Dプリントできます。これは従来製造複合材と競合するレベルです。」

ETHチューリッヒでの始まり

9T Labsは、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）複合材料・適応構造研究室（CMAS）での研究プロジェクトから始まりました。Cavolina氏と9T Labs共同創業者のMartin Eichenhofer氏、Chester Houwink氏は複合材プリントヘッドを開発し、「これをロボットアームに搭載し、航空宇宙用途をターゲットに超軽量サンドイッチ構造のラティスコアを製造しました」とCavolina氏は説明します。

CarbonKitは、市販FDMプリンターで連続炭素繊維を使用可能にする限定リリース製品でしたが、コスト競争力のある産業用CFRP構造部品の製造にはまだ適していませんでした。出典：9T Labs。

CarbonKit

こうして2018年初頭に9T Labsが設立され、3Dプリント単層CFRPラミネートで潜在顧客要件を満たせるかを検証することになりました。「次のステップがCarbonKitでした」とCavolina氏。この製品はCWの2019年3月記事「連続繊維3Dプリントの量産化へ」で取り上げられています。CarbonKitは、UltimakerやPrusaの3Dプリンターを連続炭素繊維プリント対応システムに変換します。「お手持ちのプリンターを、当社のプリントヘッド、フィラメント、ソフトウェアと組み合わせて使用し、荷重ケースに応じて連続繊維を配置できます。炭素繊維体積含有率50%を実現 — CFRP 3Dプリントの常識だった30%ではありません」と同氏。

Cavolina氏によれば、この製品への関心は非常に大きかったものの、「25社のみに供給しました。FDM（熱溶解積層）のワンプロセスだけでは、現在の技術とコスト競争力のある産業用航空宇宙最終部品を製造することは不可能だと気づいたため、製品を限定しました。」

しかしCarbonKitを通じて、9T Labsは貴重な顧客関係を構築しました。「これらの部品はCarbonKitでは実際には製造できませんでしたが、企業が何を期待し、何が必要かを学べました」と同氏。「インサイチュ統合はFDMでも理論上可能ですが、コスト面で非現実的なほど複雑な機械が必要です。そこで、後処理統合を伴う2ステッププロセスを開発しました。」

Red Seriesでは、9T Labsが3DプリントCFRP構造体で50%以上の繊維体積含有率と1%未満のボイドを、既存複合材製造法と比較して手頃なコストで実現。出典：9T Labs。

Red Series、2ステッププロセス

これが現在の9T Labsの位置づけです。「Red Seriesを商品化しています。これは2つのユニットで構成されます：特許取得済みプリントヘッドを備えた古典的なFDMプリントユニットと、後処理用の隣接Fusionユニットです」とCavolina氏。「プリント中に完全なインサイチュ統合は達成しませんが、プリント後に第2プロセスで統合します。本質的にプリフォームをプリントし、Fusionユニットで高温・高圧による後処理統合を行い、50%以上の繊維体積含有率と1%未満のボイドを達成します。この2ステッププロセスで、手頃なコストで航空宇宙品質を実現します。」

Red Seriesは現時点で熱可塑性材料を使用します。「炭素繊維をPEI、PEKK、PA（ナイロン）でプリントし、PPでの経験もあります」とCavolina氏。Red Seriesはオープンマテリアルシステムか？「コスト競争力を持つ唯一の方法は、既存材料を新しい製造プロセスで使用することです」と同氏。「ゼロから独自材料を開発すれば、量産製造への参入を自ら排除することになります。サプライチェーンの安全性と信頼性の観点から、量産メーカーは小さな会社を材料供給元にはしません。そのため、材料が当社システムで動作することを保証することで、顧客が既存の材料調達を活用できるようにしています。」同社は材料をテストし、原料が一定要件を満たすか確認し、最適なプリントパラメータを決定します。

オープンソフトウェアについては？「プリントソフトウェアと構造シミュレーションソフトウェアを統合しています」とCavolina氏。「エンジニアとして必要な場所に繊維を配置できるのは素晴らしいですが、それが本当に正しい場所かどうかわかりますか？当社ソフトウェアは設計の自由度を提供し、構造シミュレーションで照合できます。逆方向も可能で、構造シミュレーションで繊維配向レイアップを定義し、それをプリントパスに変換します。バックグラウンドで動作する実績あるパートナーのFEAを使用。CADで直接部品設計し、そのファイルをプログラムにアップロードすることも可能です。そこで炭素繊維を配置したい場所と、ネートポリマーで十分な場所を決定できます。」

非航空宇宙用途のCFRPブラケットとロッカーアームですが、実際には航空宇宙ラミネート要件を満たし、40枚以上のプライ（各プライが異なる繊維配向）を備え、これまで不可能だった異方性の活用と構造部品の最適化を実現。出典：9T Labs。

アプリケーション

9T Labsは航空宇宙（当面はインテリア）、医療、産業オートメーション（例：包装機械）、レジャー/ラグジュアリー（例：モータースポーツ、スポーツシューズ、眼鏡）をターゲットにしています。最後の市場についてCavolina氏は、「構造複合材が必要だが、航空宇宙ほど厳格でない要件の分野です」と語ります。上記のロッカーアームを例に挙げます。「これは非航空宇宙構造用ブラケットですが、荷重ケースに応じて炭素繊維を配向させることで最適化された構造用途を当社技術で製造できることを示しています。アルミニウム部品をトポロジー最適化して軽量化し、炭素繊維を荷重ケースに応じて配向させます。他の複合材プロセスと比較して使用炭素繊維量を削減できるためコスト削減になります。他の方法では、高解像度で必要なようにすべての繊維を配向させることが不可能だからです。」

9T Labs Red SeriesでプリントされたCFRPブラケットの厚み方向に、4種類の異なる連続炭素繊維レイアップが交互に配置されています。出典：9T Labs。

Cavolina氏によれば、このロッカーアームは40層以上の繊維とポリマーで構成され、「各層で異なる繊維配向が可能です。4種類のレイアップを試しましたが、準等方性に制限されません。この自由度により、複合材の異方性をさらに活用して最終構造を最適化できます。現在の他の製造方法では不可能です。」

また、CFRP 3Dプリントは手積みに比べて自動化プロセスであることも指摘します。「当社技術は自動積層により手作業を大幅に削減します」とCavolina氏。「プリントして統合すれば完了です。」

Red Seriesは、より小型・複雑な単層CFRPプリフォームをプリントし、第2ステップで統合することで、スケーラブルな産業量産を実現します。出典：9T Labs。

Red Seriesのプリントサイズ、速度、本格展開

Red Seriesは、プリントエリア350×300ミリメートルで、量産向けのより小型・単層部品をターゲットにしています。「ここで現在、顧客への最大付加価値を見出しています」とCavolina氏。

プリント速度については？「今後1〜2年で、Red Seriesツインユニットにより、様々な顧客向けに年間4,000〜8,000個の部品を生産することを非常に具体的に計画しています」とCavolina氏。「複雑・詳細なプリフォーム製造と統合を分離したため、生産量を迅速に拡大可能になりました。」

「装置、労働、材料コストを含むプロセスのコスト構造を詳しく分析しました」と同氏。「手頃な装置コスト構造を実現し、プリフォーム工程を自動化しました。最も手頃で効率的な材料を使用し、荷重ケースに応じた繊維配向と構造最適化で材料使用量を削減します。構造・プロセスシミュレーションのパートナーと密接に協力し、デジタルツイン技術を活用した4.0生産ライン・セルへのプラグアンドプレイ対応という生産目標に向け、この分野がさらに成長すると見ています。」

Red Seriesは2020年に発売予定です。「現在は生産パートナーとの協業プログラムで評価中です。部品とプロセスを彼らと共に認証し、Red Seriesマシンの初期スロットを予約してもらい、最終製品の製造に使用してもらいます。」