複合材製造に革命：磁気3Dプリントによるテーラード材料

Fortify（米国マサチューセッツ州ボストン）は2016年設立。ジョシュ・マーティン氏（Fortify CEO）とランドール・アーブ氏（ボストン・ノースイースタン大学DAPSラボディレクター）による複合材3Dプリント研究に基づいています（アーブ氏はBoston MaterialsとFortifyの共同創業者でもあります）。目標は、最適化された微細構造を持つ複合材の高速生産を可能にすること。彼らが開発した特許取得済みFluxprint技術は、磁場とデジタル光造形（DLP）を使用しますが、高充填樹脂システムで、高解像度3Dプリント複合材部品にカスタム微細構造を生成します。

 

Fluxprint vs. DLP

DLPとステレオリソグラフィー（SLA）は現在、最高の部品複雑性と精度を提供する3Dプリント技術と見なされています。両者は光（通常は紫外線（UV））を使用し、光感性樹脂（通常エポキシまたはアクリル・メタクリルモノマーで構成）を硬化させます。光はシステムタンク内の樹脂にデジタルに照射され、各層の形状やパターンを作ります。造形プラットフォームは各層後に移動し、次の層をプリント、完成固体部品へ進みます。

DLPプロジェクタとSLAは1980年代の3Dプリント黎明期に遡ります。DLPプリンターは実際の光プロジェクタを内蔵するため大型になりがちです。ほとんどのSLAとDLPマシンは熱硬化性ポリマーを使用しますが、EnvisionTECは熱可塑性樹脂も使用できるプリンターを作っています。両者は伝統的に無強化のネイティブポリマーを使用してきました。

DLP vs SLAの比較。出典：Royal Society of ChemistryおよびRicardo Piresによる「DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout」（all3DP.com）

 

「DLPプラットフォームは十分な生産レートと品質を実現できます」とFortify CEOジョシュ・マーティン氏。「しかし機械的特性は常に課題でした。我々の核心的仮説は、ポリマー化学だけでは性能のステップチェンジは達成できないということです。しかし、高解像度アディティブ業界で複合材のユニークな特性を活用すれば、ゲームチェンジャーになります。」

同氏は、Fortifyが独自の添加剤とプリント中のこれらの特性向上添加剤の配向制御を用いた、高充填テクニカルレジンのUV硬化を専門とすることを説明します。フィラーにはガラス、カーボン、セラミックファイバーおよびパーティクルが含まれます。テクニカルレジンにはアクリレートおよびメタクリレートベース（PMMA）またはエポキシベース、カチオンベースがあり、マーティン氏は後者がコーティング業界ではより従来的だと説明します。世界トップレジンメーカー（BASF、DSM、Dupontなど）が添加材料の特性向上に多額投資しており、Fortifyはこれらの進歩から最良のものを選び、強化技術を追加できます。

 

ファイバー配向制御は磁場を使用して実現します。FortifyがFluxprint技術で部品を3Dプリントする際、ファイバーはボクセル単位で磁気的に配向され、部品の荷重要件を満たします（上部動画でプロセスを確認）。磁性を持たない強化材料（セラミックやガラスのパーティクル・ファイバー）には、フィラーを磁気応答性とレジン互換性を持たせるコーティングを施す独自の磁気ラベリング技術を使用します。

 

Fluxprintプロセスは上図に示され、以下のように説明されます：

1. フィード材料の層がビルドエリアに供給され、強化材がランダムに配向した状態で供給される。
2. 磁場を印加し、強化材を配向させる。
3. アクティブボクセルをUV光で露光し、それらのボクセルでの強化材配向を固定（赤で表示）。
4. 磁場をシフトし、強化材の新たな配向を設定。
5. 次のボクセルセットの配向固定のためUV露光ステップを繰り返し（必要に応じて繰り返し）。
6. ビルドプレートを調整し、次のプリント層用の未硬化フィード材料マトリックスを導入。

Fluxprint技術はプリントプロセス中にボクセルレベルでファイバー配向制御を可能にします。
出典：「3D磁気プリントによるバイオインスパイアード複合材強化アーキテクチャの設計」Joshua J. Martin、Brad E. Fiore、Randall M. Erb著、Nature Communications volume6, Article number: 8641 (2015)。

 

なぜボクセル単位なのか？

「すべての形状には固有のひずみと応力状態があります」とマーティン氏説明。「ほとんどの複合材はこれを考慮して手作業で製造されてきました。我々はこのプロセスをデジタル化しています。例えば、UAVフレームを適切に強化できれば、材料使用量を減らせます。重力に抗するあらゆるアプリケーションが根本的に恩恵を受けます。」

ボクセル単位プリントは本質的に高解像度です。「これはこれまでで最高解像度の複合材製造プロセスです」とマーティン氏。溶解堆積モデリング（FDM）は、無強化またはミルドファイバー強化プラスチックフィラメントを溶かしてプリントベッドに堆積させるもので、解像度は数百マイクロメートルですが、Fluxprintは数十マイクロメートル以内です。「つまり桁違いの改善で、肉眼での知覚を超える領域に入ります。この種の解像度は幅広い最終用途部品にとって非常に重要です。」

FortifyのFluxprint磁気3Dプリント技術は、射出成形ツールの「ペグ」突起を強化するようファイバーを配向できます。出典：Fortify。

「従来切削加工された金属より大幅に安価で、わずかな時間で納入でき、従来の切削加工では実現できない機能を提供する射出成形ツールを提供します」とマーティン氏続けます。「ある顧客は年間12の異なる設計をアルミ切削でイテレーションしていました。我々は彼らの市場投入時間を大幅に短縮し、数カ月で12以上の設計を生産しました。設計から棚卸し部品まで数週間で移行可能になりました。」もう一つのメリットは、「ペグ」と呼ばれる突起を強化できることです。これらの高アスペクト比押出しはしばしば抜け落ちます。強化によりそれを防ぎ、厳しい公差を維持できます。

Fortifyの射出成形ツーリングメリットについて、CW姉妹誌Additive Manufacturingで詳しく。

 

オープンマテリアル、新たな開発

Fortifyはオープンマテリアルアプローチを追求します。「顧客のアディティブ分野での成長と探求の能力を制限したくありません」とFortifyアプリケーション担当VPカルロ・デロス・レイエス氏説明。「オープンイノベーションを採用することで、顧客に柔軟性と最高の材料を保証します。」

「大手ポリマーメーカーと提携し、添加剤の表面化学を調整します」とマーティン氏。各フィラーには耐摩耗性、高温性能などについて独自の長所・短所があると指摘。「ファイバー長は用途により数μmから数mmまで変わります。表面解像度が必要な場合はより小さな長さの添加剤を高割合で使用。粗い表面を許容して引張強度最適化したい場合は長いファイバー添加剤を使用します。」

Fortifyの戦略の一つは、業界リーダーとサプライヤーと提携し、専門知識を活用し、アイデアの相互浸透を可能にすることです。最近、DSM Additive Manufacturing（オランダ・ホーク・ファン・ホラント、米国イリノイ州エルジン）と提携し、Fortifyのプリントシステムで使用される高性能複合材材料を開発し、機械的・温度性能を拡張すると発表しました。「レジンパレットが拡張されます」とマーティン氏。「最先端レジン開発で協働できることを楽しみにしています。」

Fluxprintで作られたガラス繊維強化複合材部品。出典：Fortify。

 

Z方向強化と応用

Fluxprintは依然として層ごとのプリントです。ではZ方向強化は可能か？「2mm長のファイバーをプリントするなら、それらをZ方向に配置することはできません」とマーティン氏。「しかしより短いファイバーならZ配向に入れられます。複数の長さスケールを見ており、将来的に最適化された荷重伝達のために発展すると見ています。」

FortifyはすでにUAV用部品（プロペラ含む）を生産しており、航空宇宙分野で更なる応用を見ています。「ビルドエリアが小さいため、比較的容易に小さな部品ボリュームを満たせる用途に焦点を当てています」とマーティン氏。「これは成熟したエコシステムですが、高温・高公差での機械的特性の新たなレベルを提供します。」同氏は部品の熱変形温度改善が可能だと指摘し、エンジンフード下で160℃に曝露されながら強度と剛性を提供する必要がある自動車の数十の部品があると説明します。「このような複雑形状部品は、我々の技術での3Dプリントに適しています。現在のPEI（ポリエーテルイミド）からの成形・切削部品と比較し、より高性能、短納期、低コストの高い可能性を提供します。」

ツーリングも現在の市場で、ダイ、ジグ、射出成形用治具などが含まれます。「繰り返しになりますが、我々の部品はより剛性が高く、強く、高温耐性があり、使用中の寸法精度を維持します」とマーティン氏。「しかし真の価値は、EDMマシンで必要とするような大幅な後処理を必要としないことにあり、それでもCNC切削を含む従来工法で作られた治具と品質が匹敵します。」

 

出典：MultiMechanics

次世代マルチスケール・多機能複合材の前進

FortifyはMultiMechanics（米国ネブラスカ州オマハ）と提携しました。同社は先進材料向けマルチスケールモデリング・シミュレーションソフトウェア開発企業です。この提携はいくつかの理由で興味深いです。第一に、FortifyはMultiMechanicsの旗艦製品MultiMechを使用して、プリント前に部品性能を予測し、設計とファイバー配向を最適化します。したがって、MultiMechはクローズドループ反復設計のフィードバックとして機能し、ユーザーがFluxprint複合材部品をより迅速にテーラー・最適化できるようにします。FortifyとMultiMechanicsはまた、MultiMechをFortifyのINFORMジェネラティブデザイン・プリント制御ソフトウェアに統合する計画です。これにより、設計からバーチャルテスト、プリントまで、すべての機能が単一のデジタルストリーム内で制御されます。

第二のポイントで、MultiMechanicsがMultiMechソフトウェアで提供していることを理解することが重要です：

• マルチスケール有限要素解析、実質的に無制限のスケール数（ナノ、ミクロ、プライ、ラミネート、部品など）のモデリングを含む。

• 自動生成される複雑な3D有限要素微細構造、連続・チョップドファイバー、パーティクル、ボイド、フォーム、ファブリックなどほぼあらゆる材料微細構造のモデリング。
   

• ミクロ構成要素の効果をモデル化、相互作用、体積分率、分布、配向を含む、さらにプロセス誘起変動をプログラム（Moldex3D、Moldflowなど）からインポート。

• 製造変動が部品性能にどう影響するかを分析し、マイクロクラックからマクロクラックへのマルチスケール移行を含む損傷モデリングを実行。

これはマーティン氏とアーブ氏がFortifyを始めた理由に遡ります。彼らの2015年論文「3D磁気プリントによるバイオインスパイアード複合材強化アーキテクチャの設計」で述べています：

マーティン氏とアーブ氏は、自然界の複合材が不連続ファイバーと強化パーティクルをマルチスケール・複雑アーキテクチャに組織化し、構成要素を超える優れた特性を達成することを議論しています。2017年Materials Today記事でQunfeng Cheng氏が例示したのは、アワビ貝の真珠層（ナクレ）。無機質アラゴナイト95 vol%、有機タンパク質マトリックス5 vol%で構成され、ナクレの破壊靭性はアラゴナイトの3,000倍です。Cheng氏はこれが伝統的複合材の混合則をはるかに超える「増幅効果」を機械的特性で示すと指摘しています。

2018年Advanced Materials記事「バイオインスパイアード構造の設計と最適化手法としてのアディティブマニュファクチャリング」で、オードリー・ベラスコ・ホーガン氏、ジュン・シュウ氏、マーク・A・マイヤーズ氏は、ナクレ、骨、竹、甲殻類の殻のような材料の階層構造が、強度、弾性率、軽量、靭性、疲労強度の印象的な組み合わせを可能にすると主張しています。それらの構成パーティクル/フィラメントとマトリックスは、各レベル（ナノ、マイクロ、メソ、マクロ）で異なる組織化がなされ、各レベルで特性が変化します（つまりマルチスケール複合材）。レベル間の効率的な界面と組み合わさると、この階層構造は相乗的に働き、硬度を維持しながらクラック伝播を抑制し靭性を向上させます。これはセラミックスで約1世紀試みられても達成されてこなかったことです。

 

複合材の未来とINFORM

これが複合材の未来です：精密な用途向けにテーラーされたユニークな特性を持つ階層型複合材の設計。そしてそれはすでに急速に前進しています。例えば、ドイツ航空宇宙センター（DLR）シュトゥットガルト構造・設計研究所もMultiMechanicsと提携し、温度変化がセラミックマトリックス複合材（CMC）の微細構造と材料挙動にどう影響するかを理解しています。この分析は、ロケットノズルや再突入機熱防護システムなど、DLRの将来CMC部品生産に不可欠と見なされています。「MultiMechanicsでの過去10年間の仕事は、先進材料の微細構造挙動を全体部品性能とその製造に正確に接続することに捧げられてきました」とMultiMechanics社長兼CTOのフラビオ・ソウザ博士（Dr. Flavio Souza）。「MultiMechで微細構造クラックをモデル化し、それらが全体複合材部品にどう影響するかを決定できます」とDLRセラミック複合材・構造部門グループリーダーのネラジ・ジャイン氏（Neraj Jain）。「MultiMechのAbaqusやANSYSなど他FEAツールとの効率的統合により生産性が向上し、CMC材料をバーチャルで最適化する目標に近づきます。」

これらの複合材がバーチャルで最適化されると、MultiMechがFortifyのINFORMソフトウェアに組み込まれた状態でプリントされます。INFORMはすでにジェネラティブデザインのバックボーンを通じて有機的・荷重最適化アーキテクチャに向けて準備されています。（Solvay複合材事業部もMultiMechanicsと3Dプリント技術の両方に投資していることに注目。）

ファイバー強化ラティス、設計提供：nTopology。出典：Fortify。

「INFORMは 高度なアルゴリズムを用いて、各部品のファイバー配向を最適化します」とマーティン氏説明。「従来の3DプリントワークフローがSTLからスライスで始まるのに対し、我々はFEAから始まる（応力・ひずみを持つモデル）そしてそのモデル化設計を何ボクセルに分割し、どうファイバーを配向するかを決定します。反復を進め、ファイバーを応力・ひずみ場ベクトルに配向させ、そのプリントがどう振る舞うかシミュレートし、そのデータで設計を改良・最適化し、微細構造ジェネラティブデザインを達成します。」

 

始まりに過ぎない

これらの未来複合材には多様な材料が含まれます。海軍研究所（NRL、米国バージニア州アーリントン）は、セラミックマトリックスにナノ粒子および/またはフィラメントによる第二相セラミック強化を用いたCMCを開発中。これらのCMCは連続繊維強化も使用する可能性があります。つまり、異なる構成要素とアーキテクチャが各レベルで使用され、強化靭性と調整された電気・熱特性が実現されます（例：極超音速、詳細は2019年7月ナノ複合材特集参照）。

出典：図3、「3D磁気プリントによるバイオインスパイアード複合材強化アーキテクチャの設計」Joshua J. Martin、Brad E. Fiore、Randall M. Erb著、Nature Communications, volume 6 (2015)。

 

階層型複合材は、強化エポキシインクと熱可塑性ポリマーマトリックスでもプリント・テストされています。これはおそらくFortifyというスタートアップにとって最大のアップサイドです。未来の複合材に備えるだけでなく、すでにそれらを設計・生産しています。すでに達成したことは印象的ですが、これは始まりに過ぎません。