3Dプリントの進化：連続繊維強化コンポジット製造

CWは2014年以来、連続繊維強化3Dプリントコンポジットについて取材してきました。SolidWorks Worldカンファレンス（2014年1月26～29日）でMarkForgedがMark Oneプリンターを発表したときからです。その後、Arevoの連続繊維を用いた多軸プリント開発（ロボットアームによるZ方向や輪郭沿いのプリントを含む）を取材。本年はOrbital CompositesとComposites Technology Centerでの連続繊維コンポジットプリントの取り組みも取り上げました。

しかし、2012年から連続コンポジットでのプリントを行っている企業があります。CWは実際、Continuous Composites（米国アイダホ州コーダレーン）について2017年1月に短いサイドバーを掲載しましたが、その成果はより詳細な議論に値します：

• アラミド、ガラス繊維（GF）、炭素繊維（CF）、銅、ニクロムワイヤー、光ファイバーなど、あらゆる連続繊維での3次元プリント
• UV硬化型熱硬化性樹脂を使用し、高速プリントと「空中への非支持プリント」を実現
• 金型不要、オートクレーブフリーのコンポジット製造と荷重経路最適化を可能に
• AutoDesk University 2017で、3Dプリントされたマルチマテリアル（チョップドCF/ABSシェル、連続GF/エポキシトラスフレーム）ラダーを実証、プリントされた光ファイバーが温度、圧力、加速度、電気伝導度の変化を検知・通信可能

CF3D技術

「コンポジット材料の力を、先進ロボティクスを用いた3Dプリントプロセスと組み合わせています」とContinuous Composites CEOのTyler Alvarado氏。「同社はContinuous Fiber 3D PrintingをCF3Dとして商標登録しています。CF3Dはヘッド内で繊維を含浸させ、材料堆積直後に硬化させます。2Dスライスによるプリントに制約されないため、コンポジット材料の異方性特性を最大限に活かし、繊維をあらゆる方向に離散的に配向できます。」

Alvarado氏によると、熱硬化性樹脂を各顧客の用途に合わせて調整することも可能で、例えば弾性率を高めたり、靭性を高めたり、耐火特性を付与したりできます。CF3Dは熱可塑性樹脂でのプリントにも対応し、Continuous Compositesは熱硬化性と熱可塑性の両材料を同一構造内でプリントすることを実証済みです。

「50～60%の繊維体積率を達成しています」とAlvarado氏。プリントヘッドには可変圧密機能が組み込まれています。「空中で構造をプリントする際、ツールに対して圧密しないため、圧密のあり方が異なります。構造の最初のパスは非支持なので、押し付けるものがないためほとんど圧力を必要としません。しかし、後続レイヤーでは圧密のために圧力をかけられます。」

2016年と2017年、Continuous Compositesはモーション制御とビルドボリュームを向上させたロボット製造セルを構築。すべての3Dプリントと同様にソフトウェアが機械移動コードを生成します。しかしCF3Dではツールパス生成が大きく異なるため、同社は独自ソフトウェアを開発中。「市販ソリューションは連続繊維ツールパス生成には機能しません。2Dスライスの積み上げに制約されなくなったためです」とAlvarado氏。CF3DソフトウェアはUVライトによる樹脂硬化、必要時のプリントフィラメント切断、圧密圧力制御も自動化します。

「新しく開発したプリントヘッドはずっとアクティブです」とAlvarado氏。「新しいエンドエフェクタは適応型テンショニングと樹脂供給の動的制御を備えています。」

Alvarado氏によると、CF3Dは12Kカーボントウとエポキシ樹脂で16トウ幅までプリント可能。3層厚のサンプルで1%未満の気孔率と平均引張強度111 ksiを実現。この機械試験は2017年、米国防省契約企業向けプロジェクトの一環として実施されました。「継続的に改善しており、近く200 ksiを超えると確信しています」とAlvarado氏。「航空機内装用途向けのFST（難燃・発煙・毒性）試験も完了しています。」

センシング構造

CF3D技術は多機能コンポジット構造のプリントを容易にします。例えば：連続銅線をプリントして電子機器に給電、連続ニクロム線をプリントして着氷防止用ヒーターを内蔵、連続光ファイバーをプリントしてコンポジット構造のリアルタイム構造ヘルスモニタリング（SHM）と性能最適化を実現。

Continuous Compositesは2017年、上記のデモ翼型をプリントしました：

• 翼型の上部から下部へ非支持でプリントされた連続ガラス繊維サポートトラス
• 前縁のLEDライトに給電する連続銅線
• 前縁の着氷防止用ニクロム線
• 上面の光ファイバーでデータ収集可能

2017年11月、Continuous Composites、Form Forge（米国オレゴン州ポートランド）、AutoDeskが協力し、Livrea Yacht（イタリア・パレルモ）との「Making Waves」展示の一環として、AutoDesk University年次カンファレンスでセンシングコンポジットラダーを製作。

ラダーは高さ約4.5フィート、20%チョップドカーボンファイバー強化ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）熱可塑性樹脂でシェル/スキンを、連続ガラス繊維で構造トラスサポートをプリント。チームは先進的な光ファイバーもラダーにプリントしました。

完成ラダーはAutoDesk Uで展示。「観客に触ってもらい、ラダーのセンサーが2日間で5ギガバイトのデータを収集し、温度、加速度、応力変化を追跡しました」とAlvarado氏。「この機能を埋め込むことで、構造の性能をリアルタイムヘルスモニタリングと性能最適化のために収集・分析できます。」

レーシングヨットのラダーとフォイルが、実際のデータをCFD（計算流体力学）解析と設計ソフトウェアにフィードバックし、個々の構造設計とボート全体の性能をインテリジェントに最適化できることを想像してください。もちろん、ラダーとフォイルは航空機や自動車構造にもなり得ます。

「CF3D技術を複数材料と複数の付加製造モードで一つのセル内で組み合わせられることを示したかったのです」とAlvarado氏。連続繊維用樹脂を調整してチョップドファイバー/ABSに接着させることで、熱硬化性樹脂の調整柔軟性も実証しました。

製造の未来

Continuous CompositesはCF3Dの将来ビジョンを大胆に描きます。この技術がローカル製造と米国製造の復活を可能にし、より持続可能な生産プロセスへの道筋になると見ています。「我々の技術は従来のコンポジット製造法の多くの問題を解決します」とAlvarado氏。「あらゆる方向へのファイバー積層を自動化し、設計可能性を開くとともに、高コストな金型、オートクレーブ、オーブンの必要性を排除します。」これらの制約を取り除くことで、CF3Dは複数コンポーネントを単一プリント部品に統合し、機能を埋め込み、すべてを単一製造プロセスで完結できます。「我々の技術は多くの業界を破壊する、新たな新興製造手法です。」

Alvarado氏によると、Continuous CompositesはOEM、機械ベンダー、ロボティクスインテグレーター、材料サプライヤー、ソフトウェア企業などを含む「テクノロジーエコシステム」の構築に向け、多様な企業と協業中。「7件の特許取得済み、76件のノンプロビジョナ特許出願中、さらに11件のプロビジョナ特許出願中で、250件以上の特許取得済みおよび出願中コンセプトをカバーしています。技術開発を継続し、航空宇宙、自動車、防衛、建設など全産業への技術展開を目指しています。」