カーボンファイバー3Dプリント：仕組みとメリットを徹底解説

カーボンファイバーで3Dプリントできるか？はい、カーボンファイバーを用いた3Dプリントは可能です！長年にわたり、カーボンファイバー材料は多くの構造設計の製造に使用されてきました。

カーボンファイバー複合材で作れる製品には、航空機の翼、自転車フレーム、プロペラブレード、自動車部品などがあります。

従来、カーボンファイバーの製造応用は多岐にわたります。これが3Dプリント業界に、いかにこの複合材を積層造形プロセスに組み込むかを考えさせました。

特筆すべきは、カーボンファイバー3Dプリントが魅力的なのは、他の3Dプリントフィラメント材料には稀な「高強度・軽量比」をカーボンファイバーが持つからです。

カーボンファイバーの多くの利点により、多くの3Dプリント企業がカーボンファイバー強化材料や、この複合材を高性能応用で最大限活用する技術を提供しています。

3Dプリントにおけるカーボンファイバー造形は、主に2つの方法で行われます：短繊維強化フィラメントの使用、および連続カーボンファイバー強化。

3Dプリントされたカーボンファイバーは強いのか？

カーボンファイバー材料の最もよく知られた特性は高強度であり、これが3Dプリントの高い安定性を保証します。短繊維カーボンファイバーフィラメントは、1mm未満のセグメントで構成される短いカーボンファイバーを使用します。

カーボンファイバーフィラメントは、ベース材料と呼ばれる熱可塑性材料と混合され、固体の複合カーボンファイバーフィラメントを生成します。

繊維が極めて強いのは、炭素原子とマイクロ自動ファイバー配置プロセスにより、炭素原子の結合がカーボンファイバー充填に必要な強度を提供するためです。

市場にはカーボンファイバー充填された複数のフィラメントがあります。人気の熱可塑性フィラメントであるABS、PLA、ナイロン、PETG、ポリカーボネートなどが含まれます。

カーボンファイバー強化材料

カーボンファイバー強化ポリマー（CFRP）は、カーボンファイバーで強化されたポリマーマトリックス複合材料で、独自の強度を持ちます。強化は連続または不連続カーボンファイバーの形で達成されます。

強化カーボンファイバーは高価ですが、最高レベルの比機械的特性を持ちます。

カーボンファイバー強化フィラメント

カーボンファイバー強化フィラメントは極めて強靭で、フィラメントに並外れた強度と剛性を与えます。また全体重量を軽減するため、軽量オブジェクトや最終用途パーツのプリントに最適です。

連続カーボンファイバー強化

カーボンファイバー強化フィラメントは、無強化の他材料やカーボンファイバーよりも強靭です。しかし、さらに強いフィラメントを得るには、連続カーボンファイバー強化技術が用いられます。

カーボンファイバーがチョップ（切断）されないため、本来の強度を多く保持し、連続カーボンファイバー3Dプリントはアルミニウムを半分の重量で置き換えるほど強力です。

ナイロンカーボンファイバー

ナイロンカーボンファイバーは、カーボンファイバー3Dプリント業界で人気の複合材です。技術材料プリントに望ましい特性を既に備え、高強度と高耐熱性で多くのホビイストに選ばれています。

元来のカーボンファイバーの脆さをバランスよく補う高い耐久性を示します。唯一の弱点は吸湿性で、ナイロンカーボンファイバースプールの適切な環境保護が負担となります。

ABSカーボンファイバー

射出成形消費財での使用で知られます。固体ベースポリマーとして、ABSカーボンは製品に優れた表面仕上げを保持します。プロトタイプと最終用途パーツに最適です。

欠点は、ハイエンド3Dプリンターにのみ搭載される加熱ビルドチャンバーが必要な点です。

PETGカーボンファイバー

最も使用されているカーボンファイバー強化材料の一つです。耐薬品性・耐湿性に優れ、このような吸湿環境下での用途に最適な複合ポリマーです。

カーボンファイバーをプリントできる3Dプリンターは？

市販の全プリンターがカーボンファイバー材料に対応できるわけではありません。より良い結果を得るには、カーボンファイバー専用3Dプリンターが必要な場合があります。

全てのプリンターが3Dカーボンファイバーフィラメントに対応できるわけではありません。これら材料は約200℃の高押出温度を必要とし、その研磨性が真鍮ノズルを損傷させる可能性があります。

カーボンファイバー3Dプリンターの例

Delta WASP 2040 Industrial X

イタリアのWASP製。カーボンファイバー複合材を含む多材料に対応。連続繊維複合材の使用に適したデュアルギアフィラメントドライバーを搭載。

Raise 3D E2 CF & Pro2 Plus

独立デュアルエクストルーダー機能を備え、カーボンファイバーフィラメントに対応。最大300℃まで達する硬化スチールノズルを装備。

MakerBot METHOD カーボンファイバーエディション

金属パーツ置換市場をターゲットとし、高強度・耐熱性を最適化した強化ナイロンを使用。研磨性材料に対応するコンポジットエクストルーダーを搭載。

硬化メタルドライブギアと交換可能な硬化スチールノズルを備え、カーボンファイバー3Dプリントにおける高温ノズル温度に対応。

Fusion 3 F410

カーボン複合材での使用に優れ、コストパフォーマンスに優れた機種。最大ノズル温度300℃。ほとんどの強化カーボンファイバーに対応し、手頃な価格で多くのユーザーに支持されています。

カーボンファイバーのプリント方法

カーボンファイバーフィラメントは、ベース材料に微細な繊維を浸透させ材料特性を向上させたものです。

繊維の強度によりフィラメントも同様に強く、高い剛性を持ちます。これにより3Dプリントパーツが軽量化し、冷却時の収縮を繊維が抑制するため寸法安定性が確保されます。

カーボンファイバー造形の手順

造形開始前に、温度、ベッド密着、押出率、造形速度などのプリント設定を、繊維と融合したベース材料の標準設定と同様に行います。

カーボンファイバー材料は添加繊維により押出時に詰まりやすく、特に硬化ノズルなどの特殊ハードウェアが損傷リスクに対処するために必要となります。

カーボンファイバー3Dプリンターの価格

カーボンファイバープリンターは総じて高価すぎることはなく、その手頃さはこの技術を用いるユーザーにとって大きなメリットです。

以下はカーボンファイバー3Dプリンターの一例で、使用技術と価格（米ドル）を示します。

• Delta WASP 2040：FDM方式、$4,750
• Raise3D E2 CF & Pro2 Plus：FDM方式、$4,999
• MakerBot Method カーボンファイバーエディション：FDM方式、$4,999
• Fusion3 410：FDM方式、$5,000
• XYZ Printing Part Pro300X：FDM方式、$5,500
• Ultimaker S5：FDM方式、$5,995
• Stratasys F120：FDM方式、$12,000
• Raboze XTREME：FDM方式、$10,000

カーボンファイバーフィラメント

カーボンファイバーフィラメントは、微細なカーボンファイバーをポリマーベースに浸透させて形成される複合材料です。金属充填フィラメントに似ていますが、金属片ではなく繊維断片で構成されます。

ポリマーベースにはABS、PLA、ナイロン、PETGなど、人気の3Dプリントフィラメント材料が使用されます。カーボンファイバーフィラメントには直径約0.01mmの短い粒子が含まれ、強度を向上させ脆性を高めます。

微細粒子の浸透による強度向上は、冷却時のウォーピングと収縮を防ぐ優れた寸法安定性をもたらします。

メリット

• 強度と剛性の向上
• 優れた安定性
• 良好な表面仕上げ
• 軽量な造形物

デメリット

• ウォーピングと収縮のリスク
• 研磨性フィラメントが真鍮ノズルを摩耗させる

カーボンファイバー専用プリンターは必要か？

カーボンファイバーフィラメント3Dプリントは、ベースポリマーを用いた従来の3Dプリントとは異なります。カーボンファイバーフィラメントはナイロン等の通常フィラメントより硬く、マットな表面質感を持ちます。

したがって、通常の3Dプリンターにはない硬化ノズルが必要になる場合があります。

連続カーボンファイバー造形は、溶融ベースポリマーに連続カーボンファイバーフィラメントを供給しながら押出する仕組みです。したがって、これを実行できる専用プリンターの導入が必要です。

目的は造形過程でカーボンファイバーが直接パーツを強化することで、パーツ強度を高めることです。

カーボンファイバーフィラメントの製造方法

カーボンファイバーフィラメントは、微細なカーボンファイバーを浸透させた様々なベースポリマー材料からなるフィラメントで構成されます。

カーボンファイバーは結晶構造で結合した炭素原子で構成されます。原子層が折り重なり、造形製品に受け継がれる非常に高い引張強度を生み出す結合を形成します。

これらの結晶配列により、カーボンファイバーは優れた強度/体積比を持ち、多様な用途に加工可能です。

結論

3Dプリントカーボンファイバーの全容は本記事で解明されました。様々な概念を定義・説明した、カーボンファイバー3D技術の詳細ガイドとして機能します。

カーボンファイバーフィラメントのメリット・デメリット、それらと相性の良い3Dプリンターの種類について、理解が深まったことを願います。

カーボンファイバープリンターの手頃な価格も、標準プラスチックフィラメントより強靭な製品を提供するこの技術を採用する魅力となっています。