CAMX 2018ハイライト：熱硬化性3Dプリンティングの重大な進歩

熱硬化性3Dプリンティング

『CW』は熱可塑性樹脂を用いた複合材3Dプリンティングについて広く報じてきました。しかし過去1年間で、熱硬化性樹脂（および連続繊維、2018年5月ブログと9月ブログ参照）を用いたプリントの成長が見られます。この傾向は更なる成長が見込まれ、オークリッジ国立研究所（ORNL）がCAMXとACEアワードエリアで大規模熱硬化性プリントを展示しました。マグナス ビーナス プロダクツ（MVP）とのパートナーシップで開発された、大規模熱硬化性プリントシステム「THERMOBOT」は、ビルドボリューム16×8×3.4フィートを持ちます。層間で完全に架橋する反応性ポリマーを使用することで、THERMOBOT技術は、部分的に融合した熱可塑性層を持つものより高強度のプリントパーツを生産すると主張しています。原料コストも50%低減見込みです。これまでの全試験で、ポリント・ライヒホールドのビニルエステルシステムが使用されており、同社とORNLの企業研究開発契約（CRADA）に基づいています。

THERMOBOT技術の戦略の一つ（上記画像参照）は、用途に合わせて調整可能な可変密度セルラーハニカム構造をプリントすることで、高荷重支持かつ軽量な構造を生産することです。その結果、材料、時間、エネルギー、コストを現在のアプローチより少なくして、より高強度な構造をより速くプリントできます。これは、荷重適応型ハニカム構造（バイオニック設計アプローチ、エボリューショナリー ライト ストラクチャー エンジニアリング（ELiSE、2016年ブログ参照）により導入）をこれまでで最もコスト効率よく実現する方法かもしれません。MVPは商品化計画を推進しており、問い合わせを歓迎しています。

3Dプリント金型が再び進化

ポリント・ライヒホールドは、シンシナティ社とトゥルーデザイン（米国テネシー州ノックスビル）と提携し、3Dプリント複合材金型のさらなる進化を展示しました。CAMXで示された進歩は、ソリッドなサブストラクチャーではなく、ラティス型コアで金型をプリントすることです。これによりプリント時間、材料、コストが削減されます。実際の金型表面は、3DプリントされたラティスにTD Coat RT（高肉厚、常温硬化コーティング）をスプレー塗布し、最終寸法とディテールを機械加工することで得られます。このコーティングはMVPスプレー装置で塗布され、トゥルーデザインから商業的に入手可能です。特筆すべきは、このコーティングが熱硬化性表面を熱可塑性プリント基材に結合し、真空保持のために表面をシールし、プリント複合材の機械方向とZ方向の熱膨張係数（CTE）の大きな差（典型的に20%炭素繊維強化ABS）も処理することです。そうでなければ温度変化で金型表面が変化する可能性があります。上記の金型セグメントは、AES（米国オハイオ州アクロン）がシンシナティ社製BAAMマシンでプリントしました。

L&L、自動車向けプルトルード構造を提供

L&L Products, Inc.は、ポリウレタン樹脂を用いた連続複合材システム（CCS）プルトルージョンを発表しました。サイドシルやクラッシュ構造などの自動車用途をターゲットとし、必要な剛性のためにバルクヘッドを必要とする従来の金属構造を置き換え、鋼比75%軽量、アルミ比30%軽量を経済的な価格で実現します。連続繊維プロファイルには、ガラス繊維を使用したCCS Set、ガラスと炭素繊維のカスタマイズミックスを使用したCCS Hybrid、炭素繊維のみを使用したCCS Extremeがあります。これらの複合材は、L&Lのよく知られた接着剤と連続プロセスの一環として組み合わせることもでき、製造コストと納期をさらに削減します。L&L接着剤は、騒音・振動・ハーシュネス（NVH）問題の緩和にも使用されます。自動車以外では、CCS製品は風力タービンブレードスパーキャップ、産業用途、建築用途もターゲットとしています。

L&Lはまた、マルチマテリアル自動車ボディ向けトルク保持絶縁TRI-seal製品を展示しました。膨張性シーラント材にアルミナ（Al₂O₃、酸化アルミニウム）球を添加し、クランプ力を支持してトルク保持しながら、異種材料間の絶縁で電食腐食を防ぎ、水・空気・塵の侵入をシールします。ドライ用途向け熱接着型と、圧力感知型の粘着タイプがあり、異種材料界面、ボルト/リベット接合部、ドア/フード/リフトゲートヒンジで使用可能です。

オーウェンス コーニング、3Dプリントフィラメントを生産

XSTRAND 3Dプリントフィラメントが、同社のチョップドガラス繊維とポリアミド6（PA6ナイロン）またはポリプロピレン（PP）ポリマーを用いて開発されました。なぜガラス繊維か？「プリント性が良く、仕上げが良く、チョップド炭素繊維より良い特性が出ます。各ポリマータイプに最適化されたファイバーサイジングを含む、より良いソリューションを設計したからです」とオーウェンズ コーニング製品エキスパートのジェイ・ヤン氏は説明します。最適化されたポリマー、繊維、サイジングのシステムを開発するために、大幅な製品開発と材料選択が必要でした。「これは些細なことではなく、2年間多くのR&D作業が必要でした。」ヤン氏は、より高温・特殊ポリマーを使用した製品バリエーションもパイプラインにあると述べています。

Tg 250℃超のポリエステル樹脂

ATSP イノベーションズ（米国イリノイ州シャンペーン）は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校発のスタートアップで、エスターム芳香族熱硬化性ポリエステル（ATSP）樹脂を開発しました。この報告されている新クラスの共重合ポリエステルは、典型的なポリエステルや平均的な湿式積層エポキシ樹脂より高性能です：

引張強度 95 MPa / 引張弾性率 4.2 GPa / 圧縮弾性率 4.9 GPa / 圧縮強度 304 MPa

さらに、ポリエステル（最大140℃）やビニルエステル（最大160℃）、エポキシ（200℃未満で最大使用温度に達する）を上回る高温能力（Tg＞250℃）を謳っています。ATSP イノベーションズによれば、エスタームで作られた複合材はTg 285℃までの荷重支持構造を可能にします。これは実際にはフェノール（148〜260℃）、ビスマレイミド（200〜282℃）、ポリイミド（260〜316℃）樹脂システムと同等です。同社はさらに、極めて低い吸湿性、酸化安定性、易加工性（低粉塵）、充填剤なしで低可燃性（酸素指数40%、フェノールより高い）、熱可塑性に類似したリサイクル性などを主張しています。

実際、L&L ProductsのLF610再成形可能エポキシ接着剤と同様に、この芳香族熱硬化性共重合ポリエステルを接着剤（商標「Self-Bond」）として処方すると、加熱と圧力で接着と剥離を繰り返し可能で、50回繰り返しても強度低下なしとのこと。ATSP イノベーションズは、これは鎖間トランスエステル化反応と呼ばれる固相反応によるものと説明しています。エスタームとSelf-Bondはドロップインソリューションとされ、特定の顧客ニーズに合わせて調整可能で、複数の製品形態で提供されます。ATSP イノベーションズは、複合材とフォームでの材料加工、摩擦学的および極低温コーティングに関する研究を発表しています。材料は2011年から開発されており、ATSP イノベーションズは最近、NASA支援フェーズI SBIRプロジェクト「宇宙内組立のための可逆接着概念」のフェーズIIフォローオンを受賞しました。

真空バッグ硬化向けIoT

ルイズ エアロスペース（カナダ・ケベック州ラバル）は、センサーとインターネット接続を内蔵したTERVIA Hubを開発しました。これにより、ハブに接続された真空ポートからのデータ収集と、Wi-Fi経由でスマホ、タブレット、PCへのデータ交換が可能です。プローブは真空バッグ下の大気圧、真空度、温度、湿度を収集し、硬化中ずっとこのデータをTERVIA Hub経由でクラウドへ通信します。ツールと真空バッグセットアップの自動リークレートテストを実行可能です。また、硬化中の製造パラメータを表示・記録します。プログラムされた時間・温度レシピとの硬化進捗比較表示や、硬化パラメータ達成時や閾値温度到達時のSMS/メールアラーム送信も可能です。本質的にはヒートボンダーシステムから加熱機構を除いたものですが、ハブ1,000ドル未満、真空プローブ3本で99ドル、高度ソフトウェアライセンス月額39ドル（無料とより高価なカスタマイズ可能オプションもあり）で、トータルコストははるかに安価です。

CAMXで発表された新たな開発について、更なるブログをお楽しみに。