複合材3Dプリント：業界インパクトが期待される成長技術

複合材3Dプリントは新興ながら、莫大な未開拓ポテンシャルを秘めています。

SmarTech Analysisのレポートによると、複合材3Dプリント市場は今後10年で約100億ドルに達すると予測され、大きな成長機会となります。

本記事では、複合材3Dプリントを前進させるメリット、市場投入済み技術、実用事例を検証します。

複合材とは

複合材は、コアポリマーマトリックスと、チョップドファイバーまたは連続繊維といった強化材を組み合わせたものです。その結果、非強化ポリマーより優れた強度と剛性を得られ、多くの場合アルミニウムなどの金属を置き換え可能です。

これらの向上した特性により、複合材は航空宇宙、自動車、産業財、石油・ガスセクターでの工具と最終用途パーツで高い需要があります。

複合材3Dプリントのメリット

従来の複合材製造は、手作業レイアップ、高価な硬化設備、金型工具を必要とし、プロセスが労働集約的、資本集約的、スケール困難でした。3Dプリントはソフトウェア駆動でワークフロー全体を自動化し、後処理時の最小限の手作業介入のみで済みます。

主な利点には、材料廃棄の削減、ターンアラウンド短縮、従来工法では不可能な複雑形状の創出があります。

連続繊維 vs チョップドファイバー

3Dプリントでは2種類の繊維強化が使われます：1ミリメートル未満の短いストランドをポリマーに混ぜるチョップドファイバー、およびPLA、ABS、ナイロン、PETG、PEEKなどの熱可塑性樹脂と統合される長いストランドの連続繊維。連続繊維パーツは軽量ながら金属に匹敵する強度を発揮します。

カーボンファイバーが最も人気の強化材で、次いでガラスとケブラーです。

市場にある複合材3Dプリント技術

2020年時点では市場はまだ初期段階で、熱可塑性フィラメントを押出する溶融フィラメント造形（FFF）システムが主流です。FFFは硬化鋼ノズルでチョップドファイバーフィラメントを処理し、連続繊維プリントには第2ノズルで途切れないストランドを堆積させます。

Markforged：連続繊維プリントのパイオニア

Markforgedは2014年、Mark Oneで連続繊維3Dプリントを導入。プラスチックフィラメント用とカーボンファイバーストランド用のデュアルノズルを使用します。新型モデルがMark Oneに取って代わったものの、コア技術は変わっていません。

現在、Markforgedはデスクトップから産業用まで幅広いプリンターを提供し、機能プロトタイピング、最終用途パーツ、工具製造で優れています。

Desktop Metalのマイクロ自動ファイバー配置（μAFP）技術

Desktop MetalはFFFの専門知識を複合材に拡張し、2019年11月にFiber 3Dプリンターを発売。自動ファイバー配置（AFP）とFFFを融合し、Fiberシステムはナイロン、PEEK、PEKK、ガラス繊維強化ナイロンに連続繊維を埋め込みます。

μAFPアプローチは手作業レイアップへの依存を減らし、治具、固定具、軽量レーシングコンポーネントなど小型複合材パーツの労務コスト削減と生産高速化を実現します。

Anisoprintの複合材ファイバー共押出（CFC）技術

ロシア・ルクセンブルクのスタートアップAnisoprintが、複合材ファイバー共押出（CFC）を導入。プリント中にプレラミネーションなしでプラスチックを連続繊維で直接強化する押出ベースプロセスです。ユーザーはPETG、ABS、PC、PLA、ナイロンから選択し、複合材インフィル密度を調整可能。

AnisoprintのデスクトップComposer 3Dプリンターに続き、産業用ProM IS 500は4つの交換可能なプリントヘッドでマルチマテリアル・マルチ複合材パーツに対応します。

複合材3Dプリントとロボティクスの融合

ロボティクスと複合材プリントの統合は、造形エンベロープの柔軟性と形状複雑性を高めます。例えばArevoは、レーザーで加熱されたプリインプレグネート連続カーボンファイバーをローラーで圧縮堆積させ、金属プリントで使われる指向性エネルギー堆積（DED）を模倣します。

堆積ヘッドを多軸ロボットアームに搭載することで、任意の方向への積層が可能になり、従来の層ベースプリンターに典型的なZ方向の弱点を排除します。

Continuous Composites

米国のContinuous Compositesは、7軸ロボットでドライカーボンファイバーをプリントヘッドに供給し、急速硬化フォトポリマーレジンで含浸・空中硬化させ、サポートフリーなビルドを実現します。

Fortify：複合材向けデジタル光造形

Fortifyのデジタル複合材製造（DCM）技術は、デジタル光造形（DLP）を複合材パーツに適応。磁場で光感性レジン内のチョップドカーボンファイバーを配向させ、3次元で制御された強度、剛性、熱伝導性を持つ高解像度複合材を製造します。

Fortifyは工具用途に注力し、Royal DSMとHenkelと提携、シリーズAで1,000万ドル調達後、来年に商業展開予定です。

Impossible Objectsと複合材ベース積層造形（CBAM）

Impossible ObjectsがCBAMを導入。カーボンファイバーシートに液体バインダーをインクジェットプリントし、プリント領域のみにポリマー粉末が付着するよう被覆。繰り返し積層後、スタックを圧縮加熱して粉末を融着し強化複合材を形成します。

2019年発売のCBAM-2プリンターは12インチ×12インチ（約30cm×30cm）シートを処理可能で、現在PEEK、ナイロン12、長繊維カーボン・ガラスに対応。追加材料も開発中です。

複合材3Dプリントの応用

複合材3Dプリントは、プロトタイピング、工具、最終用途パーツで複数セクターに広がっています。

航空宇宙向け大型ブレード工具

Bell HelicoptersはThermwoodの大型積層造形（LSAM）システムと協業し、ヘリコプターブレード金型用の6m複合材工具を製造。LSAMのハイブリッド積層・削除アプローチで、厳しい公差とオートクレーブ対応性能を実現し、工具製造期間を数ヶ月から数日へ短縮。

複合材リフティングツール

Wärtsiläは重い鋼製リフティングツールを、Markforged X7でプリントしたカーボン強化ポリマー工具に置き換え。75%軽量化し960kgを吊り上げ、工具コストで10万ユーロ削減。

カーボンファイバーバイクフレーム

Arevoのロボティックプリントプロセスは、従来フィラメントプリントの異方性を解決し、3次元で均一な強度を持つバイクフレームを製造。フレームコストは約300ドルで、従来のカーボンフレーム（1,000〜2,000ドル）より大幅に安価。

複合材3Dプリント：製造の限界を押し広げる

まだ若い技術ながら、複合材3Dプリントは製造業で牽引力を増しており、複雑な複合材パーツのより高速・自動化された生産を提供します。デザイナーが金属を高性能・コスト効率の良い複合材で置き換え、材料費と労務費を削減しながら強度と耐久性を維持できるようにします。

これらの利点により、複合材3Dプリントは現代の複合材メーカーの標準ツールになることが期待されます。