Kevlar vs カーボンファイバー：主な違いと材料性能比較

Kevlar®とカーボンファイバーは、材料探求と革新の歴史を持つ魅力的な素材です。Markforgedでは材料とその組み合わせを探求し、新たな可能性を解き放ち、アディティブ製造業界の革新をリードしています。特許取得のCFF（連続フィラメント造形法）により、FFF造形Onyxパーツ内に連続繊維ストランドを堆積させ、プラスチックパーツを金属級の強度で効果的に補強します。これによりパーツの耐久性と寿命が飛躍的に向上し、必要な箇所に繊維を配置することで強度プロファイルを最適化できます。

まずKevlarについて理解を深めましょう。

Kevlar

Kevlarと聞いて何を連想しますか？多くの方は「防弾チョッキ」を思い浮かべるでしょう。DuPont™製ですが、1964年にポーランド系アメリカ人化学者Stephanie Kwolek氏が発明したことはあまり知られていません。

Kevlarが多様な業界で使われていることをご存知ですか？日常用途では：

• 自転車・自動車タイヤ
• ウェイトプレート
• セイル・ロープ
• グローブ、靴下、ラゲッジ
• ワークブーツ
• ブレーキパッド
• 保護具
• シーラント

Kevlarはアラミド繊維グループに属する合成繊維で、耐熱性を持ちます。KevlarとNomexがこのグループに含まれます。合成繊維は生物由来の天然繊維とは異なり、化学合成で作られます。繊維形成物質を紡糸ノズルから押出し繊維化します。

高弾性率タイプは主に光ファイバーケーブル、テキスタイル加工、ロープ、ケーブル、プラスチック補強、航空宇宙・自動車・防衛・エネルギー・家電・医療・重工業向け複合用途に使用されます。米海軍施設工学コマンドが海洋工学・建設向けKevlarロープ能力を調査し、その驚異的な引張強度と浮力を活かした革新的設計・応用を生み出しました。Kevlar繊維の引張強度はカーボンファイバーと同等、弾性率はガラス繊維とカーボンファイバーの間、密度は両者より低いです。

Kevlarアラミドは、軽量・高強度・高剛性、耐損傷性、耐疲労・応力破壊性が重要な高性能複合用途に採用されます。Markforgedでは、Onyx、Onyx FR、Nylon WhiteをKevlarで補強することで、エンジニアとパーツ設計者が極めて汎用性の高いパーツを作れることを見出しています。Kevlarは-196℃（320°F）までの低温環境でも脆化・劣化なし、電子放射線にも影響されません。ただし、紫外線（UV）には感受性があります。

設計者はCFFプロセスでパーツを設計することで、Kevlarの引張強度（鋼線の8倍以上）を活かし、安全・強靭・剛性・軽量で、環境・用途・荷重条件に耐えるパーツを開発できます。

CFF補強により、あらゆる設計者が金属級強度のコンポジットパーツを作り、耐久性（寿命）を高め、必要な箇所の強度を最適化できます。Kevlarは非常に長い塑性変形範囲を持ち、破壊時も一本ずつ切れるため折れずに曲がったり倒れたりします。カーボンファイバーなど他繊維と比べ、はるかに予測可能で寛容な破壊モードを示します。

Kevlar繊維のユニークな特性：

• 伸びが極めて小さい
• 高引張強度
• 極めて高い強度重量比
• 優れた耐疲労性
• 広温度範囲で良好な性能
• 融点なし、800〜900°F（427〜482℃）で分解
• 低クリープ
• 収縮なし
• 優れた化学安定性
• 高耐摩耗性
• 横方向強度が弱い（圧縮強度が弱い）
• Markforgedフィラメント中で最も破壊モードが穏やか

耐衝撃性

KevlarはABS比8倍の耐衝撃性を持ちながら、他補強繊維より15〜20%軽量。

曲げ強度

3点曲げ試験で、3DプリントKevlarはABS比3倍、ナイロン比6倍の強度。

曲げ剛性

3DプリントKevlarはABS比12倍、ナイロン比30倍の剛性。

Kevlarは優れた耐久性を持ち、繰り返し・突発的荷重を受けるパーツに最適。ファイバーグラス並みの剛性ながら遥かに靭性が高く、アディティブ製造向け多様な用途に適します：

• スポーツシューズ
• ロボティクス・クレードル
• エンドエフェクター/グリッパー
• スマホケース・個人電子機器
• 油圧・空圧駆動パーツ
• 保護具・ヘルメット（戦闘・バイク）
• ブレーキレバー、クランプ、マウント
• 治具、ツーリング、ワークホルディング、ソフトジョー
• ギア、レンチ、ドローン
• スポーツ用品・アクセサリー、カラビナ
• エンドユースパーツ、コンシューマー製品など

Dixon ValveのグリッパーはOnyxにKevlar補強で造形。クランプ力伝達に十分な強度、繰り返し荷重サイクルへの耐久性、バルブを傷つけない非傷付け性が要求されました。

3Dプリンティングコンポジットは、パーツ体積の大半を占めるプラスチックマトリックスの圧縮強度と、埋め込まれた繊維の引張強度を活用します。両材料は相互依存：繊維なしではプラスチックは層間接着強度のみ、マトリックスなしでは繊維は形状保持不能。マトリックスが空間を作り、繊維がレバーアームを得て荷重に対抗。組み合わせにより、圧縮・引張双方で単体材料を超える強度を発揮します。これはKevlar、カーボンファイバー、ファイバーグラス、HSHTファイバーグラスすべてに当てはまります。

次にカーボンファイバーについて理解を深めましょう。

カーボンファイバー

カーボンファイバーフィラメントは、結晶構造に整列した炭素原子で構成。極めて高い剛性と強度を持ち、航空宇宙・自動車業界で広く採用。存在する中で最高レベルの強度重量比を誇り、鋼とチタンを上回ります。

無料コンポジット設計ガイドを読む

強度重量比

6061アルミニウム比で、3Dプリントカーボンファイバーは曲げで50%高、引張で300%高い強度重量比。

曲げ強度

3点曲げで、3DプリントカーボンファイバーはABS比8倍、アルミニウム降伏強度比20%高。

曲げ剛性

3DプリントカーボンファイバーフィラメントはABS比25倍、Markforged他補強繊維比2倍の剛性。

カーボンファイバー材料特性：

• Markforged 3Dプリントカーボンファイバーは6061アルミニウムの降伏強度と同等
• アルミニウムが塑性変形を始める応力で破壊
• 荷重除去後は元の形状に戻る（アルミニウムは塑性変形残留）
• 高剛性・高強度重量比
• 導電性
• 耐食性・耐熱性
• 破壊まで剛性維持（破壊は突発的・予測困難）
• 理想的荷重は一定・既知の力を常時支持

カーボンファイバーの卓越した特性により、軽量化が重要な用途で金属代替として活用可能。全業界がCFFとカーボンファイバーで驚異的な強度パーツを造形できます。ジェネレーティブデザインとMarkforged CFFの組み合わせで、設計・強度両面から最適解を探索・選択可能です。

カーボンファイバーの用途例（アディティブ製造向け）：航空宇宙、自動車、建築・建設、コンシューマー、医療、エネルギー、防衛、電子、産業機械など多岐にわたり、代表的なものを列挙：

• ロボティクス・ロボットアーム
• エンドエフェクター、グリッパー、ソフトジョー
• 検査治具、溶接治具、三次元測定機治具
• 成形工具
• 自転車とコンポーネント
• ハイエンドモータースポーツ用途

Haddington Dynamicsのユースケースを参照：連続カーボンファイバーフィラメントで補強された3Dプリントロボットアームは、50ミクロン精度を実現する剛性と軽量性を確保。カーボンファイバー3Dプリンターで部品数を800から70未満へ削減。

ご用途に最適な補強繊維選定でお悩みの方は、お気軽にお問い合わせください。Kevlarまたはカーボンファイバーのサンプル請求も承ります。

参考文献：

1. Ferer, M. Kenneth and Swenson, C. Richard, “Design Guide for Selection and Specification of Kevlar Rope for Ocean Engineering and Construction,” Pages v, 9, 39, https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a163255.pdf, Jul. 1976.
2. Smith, F. William, 1996, “Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition,” McGraw-Hill, Inc., Page 774.
3. DuPont™. DuPont™ Kevlar Applications - "The Kevlar® Journey, Top To Bottom". YouTube, Aug. 2014.
4. DuPont™. 2017, Kevlar Aramid Fiber Technical Guide, Pages 12, 14, 16.
5. Science Channel. “Watch In Slow-Motion As Kevlar Fibers Are Put To The Test.” YouTube, Jun. 2017.
6. Yeung, K. K., and Rao, K. P., “Mechanical Properties of Kevlar Fibre Reinforced Thermoplastic Composites,” Page 411, Jan. 29, 2010.
7. Wikipedia contributors. "Kevlar." Wikipedia, 11 Aug. 2019.
8. Wikipedia contributors. "Aramid." Wikipedia, 8 Sep. 2019.
9. Wikipedia contributors. "Synthetic fiber." Wikipedia, 7 Sep. 2019.
10. Williams Bryan, Attwood Louise, Treuherz Pauline, 2017, “Design and Technology: All Materials Categories and Systems, Fire Resistant Materials.”