Kevlar®とカーボンファイバーの違いは何ですか？

米国陸軍のケーススタディ

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ケブラー ‍

ケブラーという名前を聞いたとき、あなたはどう思いますか？ほとんどの人は防弾チョッキについて考えます。 DuPont™とは思わないかもしれませんが、この資料は1964年にポーランド系アメリカ人の化学者StephanieKwolekによってDuPont™によって開発されました。

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ケブラーには業界全体でさまざまな用途があることをご存知ですか？次のような日常のアプリケーションで見つけることができます：

-車や自転車用のタイヤ

-ウェイト用プレート

-帆とロープ

-手袋、靴下、荷物

-ワークブーツ

-ブレーキパッド

-保護具

-シーラント

ケブラーは、耐熱性のあるアラミド繊維のグループに属する合成繊維です。ケブラーとノーメックスはこのグループの一部です。合成繊維は、生物由来の天然繊維とは対照的に、化学合成によって合成された繊維です。合成繊維は、紡糸口金を通して繊維形成材料を押し出し、繊維を形成することによって作成されます。

ケブラーは、主に光ファイバーケーブル、繊維加工、ロープ、ケーブル、プラスチック補強材、および航空宇宙、自動車、防衛、エネルギー、消費者、電子機器、医療、重工業などの複合用途で使用される高弾性タイプを備えています。海軍施設エンジニアリングコマンドは、海洋工学および建設で使用するケブラーロープの機能を調査し、ケブラーの驚異的な引張強度と浮力によって提供される革新的な設計とアプリケーションを実現しました。ケブラー繊維は、炭素繊維に匹敵する引張強度、ガラス繊維と炭素繊維の弾性率の間の弾性率、および両方よりも低い密度を持っています。

ケブラーアラミドは、軽量、高強度と剛性、損傷耐性、および疲労と応力破壊に対する耐性が重要な高性能複合用途に使用されます。 Markforgedは、Onyx、Onyx FR、さらにはNylon WhiteをKevlarで補強することで、エンジニアや部品設計者が非常に用途の広い部品を作成できることを発見しました。ケブラーは、320°F（-196°C）という低温環境で大きな変化を起こす可能性があり、脆化や劣化は見られません。また、電子放射はケブラーに害を及ぼさないため、電子放射のある環境でも発生します。ただし、ケブラーはUV（紫外線）光に敏感です。

設計者は、連続繊維で印刷することにより、安全で、強く、剛性があり、軽量で、環境、用途、および負荷条件に耐性のある部品を開発できます。 CFF（Continuous Filament Fabrication）プロセスを使用して部品を設計することにより、設計者は、鋼線の8倍を超えるケブラーの引張強度（伸縮または引張）を活用できます。

CFFで補強することにより、設計者は金属強度のある複合部品を作成し、部品の耐久性（寿命）を向上させ、最も必要とされる場所で部品の強度を最適化できます。ケブラーはまた、非常に長い塑性変形範囲を持っており、それが失敗すると、一度に1つのストランドが変形し、スナップする代わりに曲がったり倒れたりします。カーボンファイバーのような他のファイバーと比較して、はるかに予測可能で許容可能な故障モードがあります。

ケブラー繊維のユニークな特性：

-非常に低いストレッチ

-高い引張強度

-非常に高い強度対重量比

-優れた耐疲労性

-広い温度範囲で良好なパフォーマンス

-溶けません。 800°F〜900°F（427°C〜482°C）で分解します

-低クリープ

-収縮なし

-良好な化学的安定性

-耐摩耗性に優れています

-横方向の強度が弱い（圧縮強度が弱い）

-すべてのMarkforgedフィラメントの中で最も壊滅的な故障モード

耐衝撃性

ケブラーはABSよりも8倍耐衝撃性があり、他の補強繊維よりも15〜20％軽量です。

曲げ強度

3点曲げでは、3DプリントされたケブラーはABSの3倍、ナイロンの6倍の強度があります。

曲げ剛性

3DプリントされたケブラーはABSの12倍、ナイロンの30倍の剛性があります。

ケブラーは優れた耐久性を備えているため、繰り返しの突然の負荷が発生する部品に最適です。ガラス繊維と同じくらい剛性があり、延性がはるかに高いため、次のような積層造形に合わせたさまざまなアプリケーションに使用できます。

-運動靴

-ロボット工学とクレードル

-エンドエフェクタ/グリッパー

-スマートフォンケース、パーソナルエレクトロニクス

-油圧または空気圧で駆動するように設計された部品

-保護具、ヘルメット;戦闘、オートバイ

-ブレーキレバー、クランプ、マウント

-備品、工具、ワークホールディング、ソフトジョー

-ギア、レンチ、ドローン

-スポーツ用品とアクセサリー、カラビナ

-最終用途の部品、消費者向け製品など...

ディクソンバルブグリッパーはオニキスで印刷され、ケブラーで補強されています。材料は、クランプ力を伝達するのに十分な強度があり、繰り返しの負荷サイクルを通じて耐久性があり、バルブに損傷を与えない必要があります。

3D印刷の複合材料は、プラスチックマトリックスの圧縮強度（部品の体積の大部分を構成する支持構造）と、埋め込まれた繊維の引張強度を利用します。これらの2つの材料は相互に依存しています。繊維がない場合、プラスチック部分は、押し出されたプラスチックストランド内およびストランド間の接着力と同じくらい強力です。マトリックスがないと、繊維に構造がないため、その形状を維持できません。マトリックスは、繊維が荷重に対して安定するためのレバーアームを持つようにスペースを作成します。組み合わせると、それらは相乗作用して、圧縮と引張の両方で、どちらかが個別に提供できるよりも大きな強度を持つ複合材料を形成します。これは私たちのすべての繊維に当てはまります。ケブラー、カーボンファイバー、グラスファイバー、HSHTグラスファイバー。

それでは、炭素繊維についての理解をもう少し詳しく見ていきましょう。

カーボンファイバー

炭素繊維フィラメントは、結晶構造に組織化された炭素原子で構成されています。その非常に高い剛性と強度のために、それは航空宇宙および自動車産業で広く使用されています。これは、存在する中で最も高い強度対重量比の1つであり、鋼とチタンの両方よりも高くなっています。

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強度と重量の比率

6061アルミニウムと比較して、3D印刷された炭素繊維は、たわみの強度と重量の比率が50％高く、張力が300％高くなっています。

曲げ強度

3点曲げでは、3Dプリントされた炭素繊維はABSの8倍、アルミニウムの歩留まりより20％強力です。

曲げ剛性

3Dプリントされたカーボンファイバーフィラメントは、ABSより25倍剛性が高く、Markforgedの他の補強ファイバーより2倍剛性があります。

炭素繊維材料の特性：

• マークフォージド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に相当します
• アルミニウムが塑性変形し始めるのと同じ応力で失敗します。
• アルミニウムが塑性変形する間に荷重を取り除くと、炭素繊維は元の形状に戻ります
• 高剛性と高強度対重量
• 電気に伝導性
• 耐食性と耐熱性
• 破壊するまで固い（破壊は突然で予測不可能）
• 理想的な荷重は一定です-常に既知の力をサポートします。
  

炭素繊維の驚異的な特性により、軽量化が重要な用途での金属代替品として使用できます。現在、すべての業界でCFFを炭素繊維で活用し、非常に強力な部品を印刷することができます。ジェネレーティブデザインは、Markforged CFFと組み合わせると、設計者が複数の最適化されたソリューションを探索し、設計と強度の両方の観点からその使用に合わせて最適な設計を選択できるという利点もあります。

炭素繊維はさまざまな用途に使用できます。航空宇宙、自動車、建築および建設、消費財、医療、エネルギー、防衛、電子機器、産業機械など、添加剤製造に合わせて調整されており、このリストに終わりはありません。ここではほんの数例です。

• ロボット工学とロボットアーム
• エンドエフェクタ、グリッパー、ソフトジョー
• 検査フィクスチャ、溶接フィクスチャ、およびCMMフィクスチャ
• 成形ツール
• 自転車とそのコンポーネント
• ハイエンドモータースポーツアプリケーション

Haddington Dynamicsのユースケースをご覧ください。これは、連続炭素繊維フィラメントで強化された3D印刷されたロボットアームで、ロボットアームの精度が50ミクロンになるほど剛性と軽量性があります。カーボンファイバー3Dプリンターを使用して、同社は部品点数を800から70未満に減らすことができました。

アプリケーションに最適な補強繊維について、さらにヘルプやアドバイスが必要な場合は、お問い合わせください。今日、ケブラーまたは炭素繊維のサンプルをリクエストしてください。

参照リスト：

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 、1976年7月、海軍研究所、海軍施設、エンジニアリングコマンド、ワシントンDC。
2. Smith、F。William、1996年、「Principles of Materials Science and Engineering、Third Edition」、McGraw-Hill、Inc.、774ページ、ISBN-0-07-059241-1。
3. DuPont™。 DuPont™ケブラーアプリケーション-「Kevlar®ジャーニー、上から下へ」。 YouTube、2014年8月。 https://youtu.be/hIqKoZLL4QU?t=90 。
4. DuPont™。 2017年、ケブラーアラミドファイバーテクニカルガイド、12、14、16ページ https：//www.DuPont™.com/content/dam/DuPont™/products-and-services/fabrics-fibers-and-nonwovens/fibers/documents/Kevlar_Technical_Guide_0319.pdf
5. サイエンスチャンネル。 「ケブラー繊維が試されるのをスローモーションで見てください。」 YouTube、2017年6月、 https://youtu.be/ybgMEjl9j-g 。
6. Yeung、K。K.およびRao、K。P.、「ケブラー繊維強化熱可塑性複合材料の機械的特性」、411ページ、 https://pdfs.semanticscholar.org/fa3f/845bb8b7230c6d82b29392c8c5baf7da10d5.pdf 、2010年1月29日、香港城市大学機械生物医学工学部、香港特別行政区、中国
7. ウィキペディアの寄稿者。 「ケブラー」ウィキペディア、無料​​百科事典。ウィキペディア、無料​​百科事典、2019年8月11日。Web。 2019年9月16日、 https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar#History 。
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10. Williams Bryan、Attwood Louise、Treuherz Pauline、2017年、「設計と技術：すべての材料のカテゴリとシステム、耐火材料」、2017年。 ‍