デスクトップでの連続繊維の3Dプリント

DesktopMetalの新しい連続ファイバーデスクトップ3D印刷システム出典|デスクトップメタル

製品開発と大量生産のための金属3D印刷を専門とする会社、Desktop Metal（バーリントン、マサチューセッツ州、米国）は、複合材料コミュニティを含むように技術を拡大すると発表しました。 Desktop Metalは、「すべてのエンジニア、デザイナー、メーカーが3D印刷にアクセスできるようにする」という使命を持って、2015年に設立されました。それ以来、同社は2つの3D印刷技術、つまりオフィス向けの金属3D印刷スタジオシステムとその高度な技術を市場に投入してきました。 -最大12,000cm ³ の印刷速度が可能な大量生産システムの金属3Dプリンター / hr。現在、同社は世界初の真の連続ファイバーデスクトッププリンターであると述べていることを発表しています。

「現在、すべてのエンジニアとデザイナーのデスクトップに連続ファイバー3D印刷を提供するために、提供を拡大しています」と、DesktopMetalのCEO兼創設者であるRicFulopは述べています。

アディティブマニュファクチャリングの最近の進歩により、その使用は、ジグ、フィクスチャ、およびツーリングだけでなく、プロトタイピングにもますます広まっています。 Desktop Metalは、最終用途の部品を製造する手段として、このテクノロジーが今後10年間で10〜50倍の成長を遂げると予測しています。同社は、市場で3D印刷をサービスの行き届いていない地域にもたらす機会、つまり小さな複合部品製造の自動化を認識しました。 Desktop Metalは、複合材料セクターへの参入を開始し、最近、KonstantineFetfatsidisによって設立された新興企業であるMakeComposites Inc.（ボストン、マサチューセッツ州、米国）を買収しました。 Fetfatsidisは最近、2019 SAMPE Young Professional of the Yearに選ばれ、以前はボーイング社のAurora Flight Sciences（マナッサス、バージニア州、米国）で高度な製造研究開発リーダーを務めていました。

現在DesktopMetalの複合製品の副社長であるFetfatsidisは、Makeを開始するための彼のインスピレーションについて説明します。 「複合材料の研究開発や顧客との航空構造の事業開発の経験に基づいて、アクセス可能なものと利用可能なさまざまな製造技術を見て作業することができました。率直に言って、手のレイアップがまだ状態にあることに少し不満を感じました。 -最先端、特に小さな部品の場合」と彼は言います。

彼は、20ポンド未満の小さな部品の場合、メーカーは依然として主にハンドレイアップに依存していると主張しています。このような労働集約的なプロセスには、技術者、高価な工具、および多くの時間が必要であり、これらすべてが部​​品製造の全体的なコストを増加させます。

「私のキャリアを通じて、特にeVTOLのコンセプトに取り組んでいるAuroraで、カーボンファイバーを使用したいと思っていたアプリケーションがたくさんありましたが、その軽量性、剛性、強度のために、コストは加算されませんでした。 」とFetfatsidisは言います。 「私は、自動化、従来の製造に伴うプロセスステップの数の統合、工具の削減、リードタイムの​​短縮など、それに関連するすべてのコストを削減するためのより良い方法が必要だと考えました。」

小さな複合部品の製造を自動化する試みがなされてきましたが、その特性が、産業ユーザーがハンドレイアップに慣れている品質に達することはめったになく、デスクトッププロセスでは確かにそうではありません。今日のほとんどの複合3D印刷では、樹脂は従来のプロセスで使用されているものと同じではないことが多く、多くのプリンターは、適格な材料と同じ高性能を提供しない独自の材料を使用しているため、品質に不均一性とばらつきが生じます。結果として得られる部品は、通常、手作業で製造された部品よりも繊維の体積含有量が少なく、気孔率が高くなります。

「これまで、人々が使い慣れている素材を使ってデスクトップレベルでこれを行うためのエンドツーエンドのソリューションはありませんでした」とFulop氏は言います。 「私たちは、3D印刷の利点と、高性能アプリケーションに適した連続繊維材料を組み合わせています。」

CNCフィクスチャ： このCNCフィクスチャをファイバーシステム上に連続ファイバーコンポジットとして3D印刷することにより、パーツを非常に硬くすることができ、機械加工操作の実行中にロックバレルをしっかりと固定することができます。カーボンファイバーテープを選択的に敷設して、最も高い負荷がかかる器具のセクションに剛性を加えることができます。機械加工器具はしばしば極端な温度に耐える必要があり、炭素繊維強化PEEKを使用することで高温での安定性が保証されます。新しいファイバーシステムでの3D印刷により、機械工場のエンジニアは、他の方法では機械加工に時間と費用がかかりすぎる最適化された固定具設計を使用できるようになります。ソース|デスクトップメタル

テープに基づく

Desktop Metalの新しいデスクトッププリンターは、自動繊維配置（AFP）テクノロジーを採用して、高品質の繊維強化熱可塑性複合部品を製造しています。この技術は、市販のプリプレグテープを製造するのと同じ製造ラインを活用するため、既存のサプライチェーンを活用し、単方向（UD）テープ市場ですでに起こっている成長を利用します。本質的に、このテクノロジーはAFPを採用し、デスクトッププリンター用にスケールダウンします。実際、同社は元のプロジェクト名をMicro AFP Kinematic Extrusion system（Make）に由来しています。

同社がFiberと呼んでいるこのプリンターは、オフィスまたは生産現場環境で使用するためのモジュール式工具交換システムとして設計されており、工業グレードの製造ジグ、ジョー、工具、固定具、および最終用途を提供できます。部品。オペレーターは、Micro AFPヘッドを使用して材料をレイアウトし、それを駐車して、必要に応じて溶融フィラメント製造（FFF）ヘッドに切り替えることができます。

「初めて、ファイバープリンターは、高性能AFP連続ファイバー材料の材料特性とデスクトップ3Dプリンターの手頃な価格と速度を組み合わせました」とFulop氏は言います。

このテクノロジーは、高性能アプリケーションに適したものと同じUDテープを使用します。プリンターは多種多様な繊維および熱可塑性マトリックスシステムでUDテープを処理できますが、システムで最初に利用できる材料には、炭素繊維とガラス繊維で強化されたポリアミド6（PA6）、およびポリエーテルエーテルケトン（PEEK）と炭素繊維強化のポリエーテルケトンケトン（PEKK）。幅3mmのフォーマットで提供されるテープは、通常12Kの牽引ファイバーを備えており、独自のリールに巻き取られています。非接触ヒーターが熱可塑性プラスチックの温度を溶融温度より高くするニップ領域に到達するまで、幅3 mmの単一のトウがヘッドを介して供給され、圧縮ローラーが圧力を加えて、流入するものを圧密します。下の基板にテープで固定します。ヘッドのカッターは、各パスの終わりにテープをカットします。 Fetfatsidisによると、テープは、連続繊維を使用する一部の押し出しベースの3Dプリンターで使用される1Kトウフィラメントのスプールよりも高品質ですが、1リットルあたり10倍以上安価なソリューションを提供します。さらに、テープの高品質と圧力を加える機能が組み合わされています AFPプロセスを介して部品に変換すると、強度が高くなります。

「AFP / ATLプロセスで使用される非常に高品質のテープがあり、繊維の体積負荷が非常に高く（60％炭素繊維）、PEEKまたはPEKK高温マトリックスと組み合わせています」とFetfatsidis氏は述べています。

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カメラマウント。 ファイバーシステムにより、このカメラマウントなどの部品を、他の素材で印刷した場合よりも剛性と軽量化が可能になります。迅速な印刷時間と低い材料費により、設計者は設計をすばやく反復して最適な部品を実現できます。ソース|デスクトップメタル

ファイバーシステムで作成された部品は、スチールよりも強く、アルミニウムよりも軽く、デスクトップに印刷できると言われています。ファイバーのビルドボリュームは320x 240 x 270ミリメートル（12.6 x 9.4 x 10.6インチ）です。利点には、部品全体にわたる連続的な繊維強化と、多孔性がほとんどないことが含まれます。 Fetfatsidisによると、PA6テープで作成された部品の気孔率は5％未満であり、PEEK / PEKKテープの気孔率は1％未満であるとのことです。オペレーターはトウを操縦することができます 複雑な形状や特定の負荷条件を実現します。また、樹脂は熱可塑性樹脂であるため、オートクレーブ硬化の必要がなくなり、材料を冷凍庫に保管する必要もなくなります。

「これは、デスクトップで連続炭素繊維とPEEKおよびPEKKを組み合わせた3D印刷分野の最初の製品です」とFulop氏は言います。

シュラウドロードホルダー。 シュラウドロードホルダーは、金属射出成形（MIM）コンポーネントの位置を特定するために使用されるため、ロボットのエンドエフェクターは、限界寸法を加工する前に部品をピックアップできます。このフィクスチャは、フィクスチャの内外を絶えず循環するため、かなりの摩耗が発生します。ファイバーシステムにシュラウドロードホルダーを3D印刷することで、機械工場のエンジニアは、フィクスチャを製造するためのリードタイムを数週間から数時間に短縮し、製造コストを95％削減できます。ソース|デスクトップメタル

誰でもアクセス可能

Desktop Metalのソリューションには、最終用途の部品を作成する機能や熱可塑性プラスチックの使用など、いくつかの利点がありますが、ファイバーシステムの最もエキサイティングな側面の1つは、その手頃な価格です。複合部品の自動製造に連続繊維熱可塑性テープを使用するほとんどのシステムは、数百万ドルのシステムです。 Desktop Metalのファイバーシステムは、サブスクリプションサービスを通じて2つのモデルで利用できます。ファイバーHTは、PEEKやPEKKなどの高度なマトリックスを使用して、気孔率が1％未満、連続繊維負荷が最大60％の連続複合材料で部品を製造するように設計されています。これにより、ESD準拠の部品に加えて、UL94-V0難燃性部品を250°Cまでの高温に耐えることができます。ファイバーHTモデルは、年間5,495ドルの導入価格で始まります。一方、Fiber LTは年間3,495ドルからで、PA6熱可塑性プラスチックで5％未満の気孔率の連続繊維を使用して、高強度のESD準拠の非損傷部品を手頃な価格で製造する方法を提供します。

ESDエンドエフェクター。 エンドエフェクタは、プリント回路基板（PCB）の製造プロセスで使用されます。この部品は、ファイバーシステムの静電放電（ESD）に対応した炭素繊維強化PA6を使用して作成されており、組み立てプロセス全体でPCBが静電気放電による損傷から保護されます。連続炭素繊維複合材として印刷されたエンドエフェクタは、非常に剛性が高く、軽量で、PCBの組み立てプロセスの負荷に耐えることができます。ソース|デスクトップメタル

「私たちは、人々がシステムを購入し、自宅やオフィスのデスクトップに置いて、連続ファイバーでPEEKパーツを作成できるようにしたいと考えています」とFetfatsidis氏は言います。

「数千ドルで、実際にハイエンドのAFP製造部品で現在使用されているのと同じテープ技術から作られた高性能の複合部品の製造を開始できます」とFulop氏は付け加えます。

製造における3D印刷の役割が拡大し続けるにつれて、設計者とエンジニアは、さまざまな材料にアクセスできるようにするソリューションを必要としています。ファイバーシステムは、複合材料が提供する軽量、強度、剛性を利用したい人の手の届くところに高性能複合材料を配置するための大きな前進です。 Desktop Metalは、11月19〜22日にドイツのフランクフルトで開催されるFormnext 2019積層造形展示会および会議で、ファイバー連続ファイバーデスクトップ3D印刷システムを展示します。