連続繊維製造で複合材に革命：MOI Compositesの挑戦

連続繊維3Dプリントと堆積技術が勢いを増しています。この技術を採用・発展させる企業が増えるにつれ、複合材業界を確実に変革していくでしょう。

3つの革新的メリット

第一に、金型や工具なしでの製造が可能。第二に、多機能構造（電気伝導性、形状変化、センシングなど）の創出。第三に、ハイブリッド製造への道を開くこと――例えば、3Dプリント上への積層やプリント中の切削、ニチノール形状記憶合金繊維から液体堆積モデリング（LDM）用導電性ナノコンポジットまで、ほぼ無限の材料開発の地平が広がります。

MOI Compositesの歩み

MOI Compositesは2018年2月、材料工学教授Marinella Levi、設計エンジニアGabriele Natale、建築家Michele Tonizzoによって設立されました。Levi教授は2013年にミラノ工科大学で3Dプリント研究を開始し、2014年には同大学化学・材料・化学工学部「Giulio Natta」に+LABを結成。R&D、教育、材料イノベーションを融合し、エンジニア、デザイナー、研究者、メイカーを結ぶ学際的ハブを目指しました。

主なマイルストーン

• 2014年 連続繊維熱硬化性複合材3Dプリント用初のツール開発
• 2015年 特許WO2017085649A1取得
• 2016年 Owens CorningとKUKA Roboticsと提携、Atroposプロジェクト・プリントシステム始動
• 2017年 JECイノベーション賞受賞、Autodeskと提携、James Dyson賞準優勝、COMAUオートメーションと提携

「商用部品を生産し、国際プロジェクトに参画したかった」とTonizzo氏は語ります。「十分な市場があることを発見しました。現在、主にガラス繊維を用いて、医療用部品から海洋、石油・ガス、航空宇宙用途まで幅広く手掛けています。CFM技術は、従来工法では不可能なユニークなソリューションを製造できます。」

樹脂と繊維の幅広い対応

Atroposシステムは、不連続・連続繊維強化熱硬化性ポリマーを積層方向だけでなく非線形曲線に沿ってプリント可能です。紫外線（UV）照射でその場で硬化させます。「現在はUV硬化型エポキシ、アクリル、ビニルエステルでプリント可能です」とTonizzo氏。アクリルは透明で温度硬化・後硬化不要なため建築部品に適し、ビニルエステルは海洋用、エポキシは石油・ガス・航空宇宙用途に使用されます。

「用途によってはUV硬化が初期段階に過ぎず、その後従来加熱で後硬化します」とTonizzo氏。「UV硬化に縛られていません。非UV硬化ポリマーでもプリント実績があり、より高特性が必要な用途では異なるマトリックス選択肢を理解しています。」参考までに、最も一般的に使用するビニルエステル樹脂のガラス転移温度（Tg）は約140℃です。

「カーボンファイバーにも取り組んでいますが、UV硬化樹脂ではありません」とTonizzo氏。繊維の透過性と色の両方がUV硬化に影響するためです。「カーボンは不透明かつ黒色という最悪の組み合わせです。カーボンファイバーを材料として最適なソリューションを開発したいのであって、ただ動く最も簡単な技術ではありません。他にも多くの硬化材料オプションがあるため、それらを検討中です。」

MOI Compositesは2400テックスまでの連続ガラス繊維（Owens Corningデータシートによると207 yd/lb、最大径24μm）でのプリント実績があり、天然繊維もテスト中です。玄武岩繊維でもプリント実績があり、「玄武岩は実際にはある程度透明で黒より茶色寄りのため、UV硬化でも非常に良好にプリントできます」とTonizzo氏。

導電性繊維もCFM技術で使用可能です。プリント中の構造に必要に応じて配置できます。+LABウェブサイトのプロジェクトには、形状記憶合金であるニチノール繊維が紹介されています。「形状変化構造が作れます」とTonizzo氏。「例えば、プレストレストコンクリートのように、他の繊維への応力解放に利用できます。」

ハイブリッド製造の一環としての3Dプリント

Atroposは、造形エンベロープ0.5×0.5×0.5m高さのKUKAロボットアームを使用。「現在はComauロボットで1.0×0.5×0.8m高さのエンベロープを持つ第2世代システムでプリントしています」とTonizzo氏。「より大型のロボットと回転テーブルで、1.5×1.5×1m高さの造形ボリュームを実証済みで、技術の拡張性は容易です。」

MOIは第3世代のオールインワンプリントヘッドも開発中で、繊維への加圧システム、センサー、切断機構、フライス工具を統合します。Tonizzo氏によると、これにより3Dプリントと自動ファイバープレイスメント（AFP）のギャップが埋まります。「3DプリントはAFPの性能には及びませんが、CFMはより柔軟性があります。既に0.25mm厚の繊維でプリント可能で、曲線創出と理想的位置への連続繊維配置が可能です。」

「3Dプリントは得意分野で活用すべきです」とTonizzo氏。「ワークフロー最適化などが含まれます。例えば、アンダーカットとスマートな繊維方向を持つ内部コアを3Dプリントし、その上から一般的な手積層を行い、オートクレーブまたはバキュームバッグのみで硬化できます。」従来の金型では不可能だった部品についても言及。「内部コアをプリントし、積層材で包んでオートクレーブ硬化（110℃、2 bar、数時間）しました。見事に仕上がりました。」この部品はNDA対象のため詳細は非公開ですが、SuPeRIOR義足を同様の手法（バキュームバッグのみのVBO硬化）で製造しています。「内部はすべて1本の連続ガラス繊維を使用し、外層は手積みカーボンファイバー布とエポキシ樹脂です。この設計でたわみを減らし、カスタマイズ性を高めながら、コストと生産時間を大幅に削減しています。」

ボクセルベース最適化ソフトウェア

Tonizzo氏によると、部品設計プロセスはAutodeskのボクセルベースアルゴリズムとMOI独自の応力・パス最適化アルゴリズムを組み合わせます。これにより構造の最適化繊維パスが生成されます。ソフトウェアは製造可能性の高いパスも選択します。「これは反復プロセスです」とTonizzo氏。「ジェネレーティブデザインのように完全自動化されているわけではありません。エンジニアの判断が必要です。しかし、AIだけでなく、設計者とソフトウェアの組み合わせこそあるべき姿だと考えます。」

マルチマテリアルの未来と強力な市場ポテンシャル

Atroposプリントのプロペラブレード画像のクローズアップには、ほぼ織物のようなパターンが見られます。「これは実際には織物ではありませんが、 곧可能になるでしょう」とTonizzo氏。+LABウェブサイトのサイン波プロジェクトを参照するよう勧めます。「当時示されたデモンストレーターは、短繊維入りプラスチックをLDMプロセスで3Dプリントしたもので、我々が+LABで研究者だった頃のものです。当時使用したアルゴリズムは、現在連続繊維で発展させているものと同じです。」

+LABウェブサイトから明らかなように、このタイプのプリントにおける材料イノベーションと可能性はほぼ無限大です。問題は、何が最も機会と高需要ソリューションの可能性を提供するかです。一方、材料サプライヤーは継続的な開発を支援しています。例えばOwens Corningは、セラミックスやコンクリートなど、より多くのマトリックスでのガラス繊維実証に関心を持っています。これはデジタルファブリケーションとエネルギー効率の高い建設、オフサイトプレハブモジュール、自然・再生材料による持続可能性向上といった現在のトレンドを踏まえ、建築・建設用途で非常に興味深く、大きな潜在力があります。「Giulio Natta部門は、コンクリートのように振る舞うジオポリマーのプリントでEUプロジェクトに参加しています」とTonizzo氏。「時間とともに自己硬化しますが、プリント中は粘土のような粘性で流動性が良好です。この分野でも、新しいポリマーと繊維で継続的に取り組んでいきます。」

マシン販売は？「はい、しかし将来的には」とTonizzo氏。「現時点では、自社のノウハウ、プリントヘッド、ソフトウェアを用いて顧客施設で技術を提供し、オンデマンドで部品ソリューションを実現しています。」過去1年間、CFM早期採用者と技術改良に取り組み、様々な市場での多様な部品のビジネスケースを実証してきたMOI Compositesは、現在、CFMマシンとプロセスを商用市場機会に向けてさらにスケールアップする投資家を求めています。