高性能カーボンファイバーコンポーネント製造のステップバイステップガイド

炭素繊維強化プラスチックなどの複合材料は、汎用性が高く効率的な材料であり、航空宇宙から医療までさまざまな市場でイノベーションを推進しています。これらは、スチール、アルミニウム、木材、プラスチックなどの従来の材料よりも優れた性能を発揮し、高性能で軽量な製品の製造を可能にします。

このガイドでは、さまざまなカーボンファイバーのレイアップ、積層、成形方法など、カーボンファイバー部品の製造の基本と、3D プリントを使用してカーボンファイバーの金型を作成してコストを削減し、時間を節約する方法を学びます。 Formlabs ナイロン 11 CF パウダーなど、直接 3D プリントされた複合材料も存在します。これは、優れた剛性と強度の両方を必要とする用途に最適な炭素繊維充填材料です。 Formlabs Fuse 1+ 30W プリンタで印刷すると、ナイロン 11 CF パウダーは、構造的および熱的に安定した状態を保ち、繰り返しの衝撃に耐えることができる軽量で剛性の高いパーツを生成します。

ナイロン 11 CF パウダー サンプル部分

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複合材料とは、個々の成分とは異なる特性を持つ 2 つ以上の成分を組み合わせたものです。通常、強度、効率、耐久性の向上など、エンジニアリング特性が向上します。複合材料は、マトリックス (ポリマー、金属、またはセラミック) によって結合された強化材 (繊維または粒子) でできています。 

繊維強化ポリマー (FRP) は市場を支配しており、さまざまな業界で新たな用途の成長を促進してきました。中でもカーボンファイバーは、アルミニウムよりも強度と剛性が 3 倍以上高く、40% も軽いため、特に航空機、レーシングカー、自転車などに広く使用されている複合材料です。これは、強化されたカーボンファイバーをエポキシ樹脂で結合して形成されています。

繊維を方向的に一方向に織り、戦略的に整列させることで、ベクトルに対する強度を生み出すことができます。交差織り繊維を使用すると、複数のベクトルで強度を生み出すことができ、複合部品の特徴的なキルティングの外観にも影響します。部品は両方を組み合わせて製造されるのが一般的です。以下のような複数のタイプのファイバーが利用可能です。

樹脂はこれらの繊維をまとめて保持し、硬い複合材料を作成するために使用されます。何百種類もの樹脂を使用できますが、最も一般的なものを以下に示します。

カーボンファイバー部品などの繊維強化ポリマーの製造は、一回限りの生産とバッチ生産の両方で使用される、熟練した労働集約的なプロセスです。サイクル時間は、部品のサイズと複雑さに応じて 1 時間から 150 時間の範囲です。通常、FRP の製造では、連続した直線繊維がマトリックス内で結合されて個々の層を形成し、最終部品に層ごとに積層されます。 

複合材の特性は、積層プロセスと同様に材料によってもたらされます。繊維が組み込まれる方法は、部品の性能に大きな影響を与えます。熱硬化性樹脂は、ツールまたは金型内で補強材とともに成形され、硬化されて堅牢な製品が形成されます。さまざまなラミネート技術が利用可能であり、主に 3 つのタイプに分類できます。

ウェットレイアップでは、繊維を切断して金型に配置し、ブラシ、ローラー、またはスプレーガンを使用して樹脂を塗布します。この方法は、高品質のパーツを作成するために最も高度なスキルを必要としますが、DIY カーボンファイバーパーツの作成を開始するための要件が​​最も低く、最も安価なワークフローでもあります。カーボンファイバー部品の製造が初めてで、まだ設備が整っていない場合は、ウェット レイアップ ハンド ラミネートから始めることをお勧めします。

ウェットカーボンファイバーレイアッププロセスがどのように機能するかをビデオで確認してください。

プリプレグ積層では、繊維の先に樹脂が注入されます。予め含浸させたシートは硬化を防ぐために冷蔵保管されます。次に、オートクレーブ内で熱と圧力を加えてプライを型に入れて硬化させます。これは樹脂の量が制御されるため、より正確で再現性の高いプロセスですが、高性能アプリケーションで通常使用される最も高価な技術でもあります。

RTM 成形では、乾燥した繊維が 2 つの部分からなる金型に挿入されます。高圧で樹脂をキャビティに押し込む前に、金型をクランプで閉じます。通常は自動化されており、大量生産に使用されます。

金型の品質は最終部品の品質に直接影響するため、工具の作成は FRP 製造の重要な側面です。ほとんどの型は、ワックス、フォーム、木材、プラスチック、または金属から CNC 機械加工または手作りによって製造されます。手動技術は非常に労働集約的ですが、CNC 加工は依然として複雑で時間のかかるワークフローに従います (特に複雑な形状の場合)。また、アウトソーシングには通常、長いリードタイムと高コストがかかります。どちらのオプションも熟練した作業者を必要とし、設計の繰り返しや金型の調整にはほとんど柔軟性がありません。

積層造形は、炭素繊維部品を製造するためのモールドとパターンを低コストで迅速に作成するためのソリューションを提供します。製造プロセスにおけるポリマー工具の使用は継続的に増加しています。金属ツールを社内で印刷されたプラスチック部品に置き換えることは、設計の柔軟性を高めながら生産時間を短縮するための強力でコスト効率の高い手段です。エンジニアはすでに、フィラメントワインディングや自動ファイバー配置などの方法をサポートするジグや治具を製造するために、ポリマー樹脂の 3D プリント部品を使用しています。同様に、少量のバッチを納品するために、射出成形、熱成形、または板金成形で短期間のプリント金型および金型が使用されます。 

社内デスクトップ 3D プリンティングに必要な設備は限られており、ワークフローの複雑さが軽減されます。 Form 4 のようなプロ仕様のデスクトップ樹脂プリンターは、手頃な価格で実装が簡単で、需要に応じてすぐに拡張できます。 Form 4L などの大型 3D プリンタを使用すると、大型のツールや金型の製造も可能です。

光造形 (SLA) 3D プリント技術は、カーボンファイバーのレイアップ金型に不可欠な、非常に滑らかな表面仕上げの部品を作成します。複雑な形状を高精度で実現できます。さらに、Formlabs 樹脂ライブラリには、金型やパターンの製造に適した機械的特性と熱的特性を備えたエンジニアリング材料が含まれています。

カーボンファイバー部品製造用の 3D プリント金型を使用すると、コストを削減し、リードタイムを短縮できます。

小規模生産の場合、エンジニアは手で彫ったり CNC 機器を使用したりすることなく、低コストで数時間以内に金型を直接印刷できます。 CAM ソフトウェア、機械のセットアップ、ワークホールディング、ツーリング、および切りくずの排出。金型製作の労力とリードタイムが大幅に削減され、迅速な設計の反復と部品のカスタマイズが可能になります。従来の方法では製造が困難であった、細部にまでこだわった複雑な金型形状を実現します。 

金型のアーキテクチャと設計のガイドライン

金型を設計するときは、何が正常に印刷されるか、また何が正常に成形されるかを考慮します。さまざまなタイプのジオメトリを作成するには、さまざまなモールド アーキテクチャが使用されます。

• 真空袋詰めの 1 パーツ金型: クラス A 面を 1 つ必要とする部品に使用され、光沢のある仕上げが行われます。どちらの側をクラス A にするかによって、正または負の値になります。一方の側は金型の表面、もう一方の側は真空バッグの表面です。
• 圧縮成形における 2 部構成の金型: 部品の両面がクラス A である必要がある部品に使用されます。両面は金型表面です。
• 加圧成形のブラッダモールド: 部品を脱型できないために真空バッグや圧縮金型を使用できない複雑な形状に使用されます。片面は金型の表面、もう一方の面はブラダーの表面です。
• ネガモールドを作成するためのモールドパターン: 生産性を高めるために複数の金型を使用したい場合に使用されます。 1 つのパターンから複数の型を作成できます。

抜き勾配角度を追加: 2 ～ 3 度の正の抜き勾配は、特に硬い金型の場合、脱型ステップを容易にし、金型の寿命を延ばします。ただし、Tough 1500 レジンなどの柔軟な 3D プリント材料を使用すると、抜き勾配なしでパーツを作成したり、硬い金型から取り外すことができない難しい形状を含めたりすることができます。材料の厚さに適した最小半径を設定します。これにより、空気の混入を避けながら繊維が角に整列し、再現性のある高品質の部品を作成できます。四角いエッジの効いたジオメトリよりも、流れるようなジオメトリの方が扱いやすいため、急なコーナーや近接したコーナーは避けてください。

材料の厚さに適した最小半径を設定します。  これにより、空気の混入を避けながら繊維が角に整列し、再現性のある高品質の部品を作成することができます。四角いエッジの効いたジオメトリよりも、流れるようなジオメトリの方が扱いやすいため、急なコーナーや近接したコーナーは避けてください。

位置決めピンとくぼみが含まれます 正確な位置合わせが必要な金型に。 3D プリントの大きな利点の 1 つは、複雑な位置合わせジオメトリを可能にし、位置決めに敏感なデザインの製造に役立つことです。

サーフェス オーバーランを含める: 延長された表面から余分な材料が切り取られ、正確なトリムラインが描かれます。 3D プリントを使用すると、フラッシングを作成する必要がなく、オーバーランでプリントできます。

トリムラインを追加: 3D プリントを使用すると、ドリル ガイド、ハンド トリミング用のスクライブ ライン、ルーター ガイド レールなどの正確なグルーミング機能を組み込むことができます。

その他のベスト プラクティス:

• 解像度と脱型手順を最適化するために、可能な限り最小のレイヤー高さで印刷します。
• 表面仕上げを良くするために、成形面のサポートを避けてください。
• 離型剤を使用します。これは、離型プロセスを可能にするために必要です。
• 空気の混入を避けるには、撹拌して混合した後、樹脂から空気が落ち着くまで 2 分間待ちます。レジンの最初の層をブラシで塗った後、この作業を繰り返します。小さな気泡が残っている場合は、後処理で研磨して密閉することができます。

フォーミュラ スチューデントは、世界中の学生チームがフォーミュラ スタイルのカーを製作し、レースする年に一度のエンジニアリング デザイン コンテストです。 Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) は最大規模のグループの 1 つです。 2005 年以来、毎年 80 ～ 90 人の学生が新しいレーシング カーを開発してきました。

ベルリン工科大学の学生フォーミュラ チーム (FasSTTUBe) は、年次学生フォーミュラ コンテストに向けて 3 台の車両を製作しています。

FasSTTUBe チームは、ほぼすべての製造テクノロジーにアクセスできるため、3D プリントを次の 3 つの目的で使用しています。

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プロトタイプ: アンチロール バーの取り付けや HV バッテリーの関係者など、さまざまな部品のプロトタイプを印刷します。

3D プリントされたカーボンファイバー金型: チームは、他の方法では製造できなかったカーボンファイバー部品を製造するために、12 個の金型を印刷しました。 

最終用途部品: 最終的な車両のボタン ホルダー、ステアリング ホイールのシフターから、冷却システムのホースやセンサー コネクタに至るまで、約 30 の部品が直接 3D プリントされています。

このケーススタディでは、カーボンファイバーでステアリング ホイール ハウジングとグリップを製造するために使用された成形アプリケーションの詳細を調べています。

レーシングカーの製造において、軽量化は不可欠です。部品を軽くするために、中空のステアリングホイールグリップをプリントすることもできますが、それはドライバーの握りに耐えるのに十分な強度ではありません。カーボンファイバーは、強度を維持または向上させながら重量を軽減する優れた素材です。今年、カーボンファイバーで部品を製造できるようにするために、空気力学およびカーボン製造部門の責任者であるフェリックス ヒルケンは、ウェット レイアップ ラミネート用の 3D プリント金型を使用するワークフローを開発しました。

必要な機器:

• Tough 1500 樹脂を使用した Formlabs SLA 3D プリンター
• カーボンファイバー:3 層 200g、3K、0.3mm、綾織りパターン
• 離型剤:ワックスとポリビニル アルコール
• 高強度エポキシ樹脂
• ブラシとハサミ
• 真空バッグ、真空ポンプ、通気布
• サンドペーパー

グリップは、部品を型から外すことができるように、2 つの半分に分けて製造されました。フェリックスは、グリップの半分ごとに、特に 3D プリントなしで製造するのが難しい機能を含む 2 つの部分からなる金型を設計しました。

• 狭い内部半径、緩やかなサーフェス、さまざまな半径のサーフェスなどの細かいフィーチャ
• アルミニウムの型から取り外すことができなかった、丸い固いエッジ
• パーツは位置の影響を受けやすいため、穴あけ位置を凹ませる

チームは、Form Series プリンターで Tough 1500 レジンを使用し、層高さ 50 ミクロンでモールドを印刷しました。 プリントを IPA で 10 分間 2 回洗浄し、70 °C で 60 分間後硬化しました。 Tough 1500 樹脂が選択されたのは、伸びと弾性率のバランスが取れているためです。この材料で印刷された部品は大きく曲がっても、すぐに元の形状に戻ります。これは、脱型時の金型の破損を避けるために望ましい機械的特性です。

離型剤を塗布して、離型プロセスを容易にします。これは重要な最初のステップです。一部の表面が覆われていない場合、パーツは金型から分離できません。

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ワックスで覆う (オプションですが推奨)

ポリビニル アルコール (PVA) でカバーする

樹脂と硬化剤を混ぜます。混合比は正確に守る必要があります。目標比率の数パーセントでもずれている場合、パーツは柔らかすぎるか、部分的にしか硬化していません。樹脂メーカーの指示に従い、ご使用前に安全シートをお読みください。 Felix 樹脂を使用すると、樹脂が混合されてから 2 時間後に重合プロセスが開始され、レイアップ操作には 2 時間が残ります。

モールドのプラス側にブラシを使って樹脂を塗布します。

金型のプラス側にカーボンファイバーの層を重ねます。すべての輪郭に従ってください。チームは織りの厚さと価格のバランスを取るために 3K ファイバーを使用しました。複雑な輪郭に沿うように特別に設計されており、サポートするストランドはありません。

カーボンプライに樹脂を塗布し、レイアッププロセスを繰り返します。樹脂は層を結合して部品内にマトリックス成分を形成し、繊維の再整列を防ぎます。 Felix は 3 つのカーボンファイバー層を使用しました。

モールドのネガ部分に樹脂の最後の層を塗布し、気泡が形成されて繊維に浸透するのを避けるために、モールドの両方の半分を一緒に押し付けます。

余分な材料をハサミで切り取ります。 

真空バッグ内で48時間硬化させます。この重合プロセス中、真空バッグが空気を抜き、周囲温度でプライを金型に押し付けて、余分な樹脂を取り除きます。これにより、適切な部品の剛性に合わせて、樹脂と繊維の体積比を適切に保つことができます。

仕上げ：すべてのエッジを研磨します。プロセス後に金型をきれいにするために、フェリックス氏は金型を水に約 30 分間浸して PVA を溶かし、その後、1500 番の細かいサンドペーパーを使って残った樹脂を取り除きました。 

カーボンファイバーを使用することで、チームはステアリングホイールハウジングの重量を 120g から 21g に軽量化し、従来の製造では非常に困難だった形状にデザインを押し込むことができました。 「3D プリントの素晴らしい点は、複雑な形状も単純な形状と同じくらい簡単に製造でき、同じ量の作業と設備が必要なことです。」と Felix 氏は言います。

3D プリントがなければ、チームはアルミニウム金型の CNC フライス加工を外注しなければならなかったでしょうが、これには高価で納期が長く、特殊なツールが必要でした。 「CNC で金型を加工し、特殊なツールを入手して、機械にスロットを取り付ける必要がありました。しかし、この形状を作ることさえできませんでした。特にいくつかの小さなコーナー。パーツが位置決めの影響を受けないようにするため、ネジのない設計を使用する必要がありました。」

彼の推定によると、Formlabs Tough 1500 樹脂で印刷された 1 つの金型を使用して、約 10 個の部品を製造できると考えられます。これは手作業のプロセスであるため、オペレーターがどれだけ細心の注意を払うかによって異なります。分離プロセス中に金型が破損する可能性があります。ただし、複数の 3D プリント金型を使用して生産量を増やすことができます。金型の寿命を延ばす別の解決策は、金属製の汎用金型で金型をサポートすることです。 3D プリントされたインサートが形状を保持し、バックアップの金型がその形状を保持します。これは、単純な手動フライス盤で製造できます。

DeltaWing Manufacturing は、高級なアメリカ製高級スポーツカーの設計および製造会社である Panoz 社の複合部品を製造しています。  デルタウィング マニュファクチャリングでは、カーボン ファイバー コンポーネントを製造するために、パターンを機械加工し、その上に金型をレイアップまたはキャストし、プリプレグ プロセスを適用してカーボン ファイバー パーツを積層する前に金型を仕上げていました。

ここ数年、彼らはこのプロセスの中間ステップとして社内の 3D プリント部品の使用を開始しました。 Panoz は、カスタム レーシング カー用に 6 ユニットのカーボンファイバー フェンダー エア ダクトを必要としていました。従来の金型製造技術から労働力とリードタイムを削減するために、DeltaWing Manufacturing のエンジニアは、金型を直接 3D プリントしてプリプレグ プロセスに実装することを選択しました。

必要な機器:

• 高温樹脂を使用した Formlabs SLA 3D プリンター
• カーボンファイバー:4K、二次元パターン
• 離型剤:ポリビニルアルコール
• カプトン (ポリイミド) テープ
• 高強度エポキシ樹脂
• ブラシとハサミ
• 真空バッグ、真空ポンプ

ダクトは、最終部品を金型から分離しやすくするために、2 つの異なる金型上で 2 つの別個の部品として製造され、その後接着されました。また、各金型は 2 つの部分に分けて印刷され、Form シリーズ プリンタの造形体積に収まるように組み立てられました。ただし、造形体積が大きい Form 4L プリンタでは、これは必要ありません。部品は、金型設計の推奨事項に従って、積層造形用に設計されました。

DeltaWing は、Form シリーズ プリンターを使用して、高温樹脂で 100 ミクロンの層高さでモールドを印刷しました。この樹脂が選択されたのは、熱たわみ温度 (HDT) が 238 °C @ 0.45 MPa であり、Formlabs 樹脂の中で最も高く、市場に出ている樹脂の中でも最も高いものの 1 つであるためです。

高温樹脂は、高い硬化温度に耐えることができ、作業中に形状を保持するのに十分な剛性を示し、最終部品に反映される優れたレベルの詳細を示します。 Formlabs では、HDT を高めるために、高温樹脂プリントを IPA で 10 分間洗浄し、80 °C で 120 分間後硬化し、その後パーツを 160 °C で 3 時間加熱することを推奨しています。

DeltaWing Manufacturing は、プリプレグ 4K 二次元パターン ファイバーを使用して、印刷された金型に通常のプリプレグ プロセスを適用しました。成形を繰り返すたびに表面を更新するために、各金型をカプトンテープで覆いました。ファイバーを金型の上に置き、部品を真空バッグに入れ、オートクレーブで硬化させた後、型から外してトリミングしました。印刷されたモールドは、38 °C (100 °F) で 10 時間の低速硬化、または 126 °C (260 °F) で 1 時間の高速硬化に損傷することなく耐えられました。カーボン ダクトの両方の半分は、最終ステップで結合されました。

チームは 1 つの金型に対して 6 回の反復テストを行いましたが、重大な劣化は観察されませんでした。 1 つの金型に対して約 10 ～ 15 回の反復が可能であると推定されます。プリプレグプロセスでは硬化中に熱と圧力を加えるためにオートクレーブが使用されるため、印刷されたモールドは数回の繰り返しにしか耐えられません。したがって、この方法は大量生産には推奨されませんが、短期間のバッチや大量カスタマイズされた部品を生産する場合には優れた方法です。これにより、高性能スポーツ用品、航空宇宙用のカスタマイズされた工具、医療現場の患者に固有のパーソナライズされた補綴物など、幅広い用途が可能になります。 

従来のカーボンファイバー部品の強度、耐久性、堅牢性と、3D プリントの機敏性、幾何学的な可能性、再現性を組み合わせたワークフローに対する強い需要があります。したがって、炭素繊維 3D プリントを提供する 3D プリント会社が数多くあることは驚くことではありません。現在利用可能な 2 つのプロセスは、チョップド ファイバーまたは連続繊維を使用したプリントです。

Fuse 1+ 30W 選択レーザー焼結 (SLS) 産業用 3D プリンター用の切断されたカーボンファイバーであるナイロン 11 CF パウダーを使用すると、メーカーは従来のオーバーレイや機械加工方法に頼ることなく、強力で軽量で耐熱性のある部品を作成できます。 

Formlabs ナイロン 11 CF パウダーは強力、軽量、耐熱性を備えているため、自動車、航空宇宙、製造用途に最適です。

繊維強化ポリマーの製造は刺激的ですが、複雑で労働集約的なプロセスです。 3D プリントされた金型とパターンを使用してカーボンファイバー部品を製造すると、企業はワークフローの複雑さを軽減し、柔軟性と設計の機会を拡大し、コストとリードタイムを削減できます。 

炭素繊維の多くの利点を提供し、幾何学的な柔軟性とよりシンプルで効率的なプロセスというさらなる利点を備えた直接 3D プリント部品には、Fuse シリーズ SLS 3D プリンタ用の Formlabs ナイロン 11 CF パウダーなどの材料があります。 

用途について話し合い、カーボンファイバー部品に 3D プリントを使用するための最適なアプローチを見つけたい場合は、当社のチームにお問い合わせください。