高性能カーボンファイバー部品製造のステップバイステップガイド：3Dプリント型でコストとリードタイムを削減

カーボンファイバー強化プラスチックなどの複合材料は、非常に汎用性が高く効率的な材料で、航空宇宙からヘルスケアまで様々な市場でイノベーションを牽引しています。鋼、アルミニウム、木材、プラスチックなどの従来材料を上回る性能を発揮し、高性能軽量製品の製造を可能にします。

このガイドでは、カーボンファイバーパーツ製造の基礎、さまざまなカーボンファイバー積層・ラミネート・成形方法、そして3Dプリントでカーボンファイバー型を作ってコスト削減と時間短縮を図る方法を学びます。直接3Dプリントされるコンポジットも存在し、Formlabs Nylon 11 CFパウダーのようなカーボンファイバー充填材料は、優れた剛性と強度の両方を必要とする用途に最適です。Formlabs Fuse 1+ 30Wプリンターでプリントすると、Nylon 11 CFパウダーは軽量で剛性の高いパーツを生成し、構造的・熱的に安定し、繰り返し衝撃に耐えられます。

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複合材料とは、単体では異なる特性を持つ2つ以上の構成要素の組み合わせで、それ自体の特性とは異なる特性を示します。通常、強度、効率、耐久性などのエンジニアリング特性が向上します。複合材料は、補強材（繊維または粒子）がマトリックス（ポリマー、金属、セラミックス）で保持された構造です。

繊維強化ポリマー（FRP）が市場を支配し、様々な業界で新しい用途の成長を牽引してきました。中でもカーボンファイバーは、アルミニウムの3倍以上の強度と剛性を持ちながら40%軽量であるため、航空機、レーシングカー、自転車などで特に広く使用されています。エポキシレジンで結合された補強カーボンファイバーで形成されます。

繊維は一方向ユニウィーブで方向性を持って戦略的に配向し、ベクトルに相対的な強度を生み出せます。クロス織繊維は複数ベクトルの強度を生み出し、コンポジットパーツの特徴的なキルティング外観の由来でもあります。両者を組み合わせて製造するのが一般的です。利用可能な繊維タイプは複数あり、以下が含まれます：

レジンはこれらの繊維を保持し、剛性のある複合材を作るために使用されます。数百種類のレジンが使用可能ですが、最も一般的なものは以下です：

カーボンファイバーパーツのような繊維強化ポリマーの製造は、ワンオフからバッチ生産まで用いられる熟練と労働集約的なプロセスです。サイクルタイムはパーツのサイズと複雑さにより1時間から150時間の範囲です。典型的なFRP製造では、連続直線繊維がマトリックス内で結合して個々のプライ（単層）を形成し、それが最終パーツへ層ごとにラミネートされます。

複合材料特性は材料だけでなくラミネートプロセスによっても誘導されます：繊維の取り込み方がパーツ性能に強く影響します。熱硬化性レジンは補強材とともに工具または型で形作られ、硬化して堅牢な製品になります。様々なラミネート技術があり、これらは大きく3つのタイプに分類できます：

ウェットレイアップでは、繊維を切って型に敷き、刷毛、ローラー、スプレーガンでレジンを塗布します。高品質パーツを作るには最もスキルを要しますが、DIYカーボンファイバーパーツ製作を始めるための最も安価で、要件が最も低いワークフローです。カーボンファイバーパーツ製造が初めてで設備も未整備なら、ウェットレイアップ手動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の動作を動画でご覧ください。

プリプレグラミネートでは、レジンが繊維に予め含浸されています。プリインプレグネートシートは冷蔵保存され硬化を抑制されます。プライを型に載せ、オートクレーブで熱と圧力の下で硬化させます。レジン量が制御されているためより精密で再現性の高いプロセスですが、最も高価な技術で、通常ハイパフォーマンス用途で使用されます。

RTM成形では、乾燥繊維を二分割型に挿入します。型を閉じクランプした後、高圧でレジンをキャビティに押し込みます。通常自動化され、大量生産に用いられます。

型の品質が最終パーツの品質に直結するため、工具製作は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、金属で、CNC加工や手作業で製造されます。手作業技術は高度に労働集約的ですが、CNC加工も複雑で時間のかかるワークフローに従います——特に複雑な形状では——また外部委託は通常高コストで長いリードタイムを伴います。両方とも熟練工を必要とし、設計反復と型調整の柔軟性がほとんどありません。

アディティブマニュファクチャリングは、カーボンファイバーパーツ製造のための型とパターンを低コストで迅速に製造するソリューションを提供します。製造プロセスでのポリマー工具の使用は継続的に増加しています。金属工具を社内プリントのプラスチックパーツで置き換えることは、生産時間を短縮しながら設計柔軟性を拡大する強力かつ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プレースメントなどの手法をサポートする製造治具・固定具としてポリマーレジン3Dプリントパーツを活用しています。同様に、短納期プリント型とダイは、射出成形、熱成形、板金成形で低ロットバッチを提供するために採用されています。

社内デスクトップ3Dプリントは限られた設備で済み、ワークフロー複雑性を低減します。Form 4のようなプロフェッショナルデスクトップレジンプリンターは手頃で、導入が容易、需要に合わせて迅速にスケールできます。大型工具と型の製造も、Form 4Lのような大型3Dプリンターで可能です。

光造形（SLA）3Dプリント技術は、カーボンファイバーレイアップ型に不可欠な非常に滑らかな表面仕上げでパーツを作ります。高精度で複雑な形状を実現できます。さらに、Formlabsレジンライブラリには、型とパターン製造に適した機械的・熱的特性を持つエンジニアリング材料があります。

3Dプリント型でカーボンファイバーパーツを製造すると、コスト削減とリードタイム短縮が可能です。

型のアーキテクチャと設計ガイドライン

型を設計する際、何がプリント成功し、何が成形成功するかを考慮してください。異なる型アーキテクチャは異なるタイプの形状を作るために使用されます：

• 真空バッグ用単部品型： クラスA面（光沢仕上げ）が片側だけ必要なパーツに使用。ポジティブまたはネガティブどちらでも、どちら側をクラスAにするかによる。片側が型面、もう片側が真空バッグ面。
• 圧縮成形用二分割型： パーツの両面がクラスAである必要がある場合に使用。両側が型面。
• 圧力成形用ブラダー型： 真空バッグや圧縮型では脱型できない複雑な形状に使用。片側が型面、もう片側がブラダー面。
• ネガティブ型を作るための型パターン： 生産増加のために複数の型が必要な場合に使用。単一パターンから複数の型を作成可能。

抜き勾配を追加： 2〜3度の正の抜き勾配は脱型工程を容易にし、特に硬い型の場合は型寿命を延ばします。しかし、Tough 1500レジンのような柔軟な3Dプリント材料を使えば、抜き勾配なしで、硬い型では脱型不可能な挑戦的な形状を含めることもできます。材料厚に適した最小半径を設定：これはコーナーでの繊維整列を助け、空気混入を防ぎ、再現性のある品質パーツを作れます。急峻で近接したコーナーは避け、流れるような形状の方が箱型のエッジ形状より扱いやすいです。

材料厚に適した最小半径を設定： これはコーナーでの繊維整列を助け、空気混入を防ぎ、再現性のある品質パーツを作れます。急峻で近接したコーナーは避け、流れるような形状の方が箱型のエッジ形状より扱いやすいです。

位置決めピンとインデントを追加：精密なアライメントが必要な型に。3Dプリントの大きな利点の一つは、アライメント形状の複雑さを許容し、位置決めに敏感な設計の製造を助けることです。

表面オーバーランを含める： 延長された表面からの余剰材料をカットダウンして精密なトリミングラインを引きます。3Dプリントならフラッシングを製造せずにオーバーランをプリントできます。

トリミングラインを追加： 3Dプリントなら、ドリルガイド、手作業トリミング用スクライブライン、ルーターガイドレールなどの精密な仕上げフィーチャーを組み込めます。

その他のベストプラクティス：

• 可能な限り最小の層高でプリントし、解像度と脱型工程を最適化。
• 成形面にサポートをつけない（表面仕上げ向上）。
• 離型剤を使用：脱型プロセスを可能にするため必須。
• 空気混入防止：攪拌・混合後、2分待ってレジンから空気を抜く。最初のレジン層を刷毛塗り後も繰り返す。微小気泡が残れば、後処理で研磨・封止可能。

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タイプのレーシングカーを設計・製作・走行させる年次エンジニアリングデザインコンペティションです。ベルリン工科大学フォーミュラ・スチューデントチーム（FaSTTUBe）は最大規模グループの一つで、80〜90名の学生が2005年以来毎年新しいレーシングカーを開発しています。

ベルリン工科大学フォーミュラ・スチューデントチーム（FaSTTUBe）は、年次フォーミュラ・スチューデント大会に向けて3台の車両を製作しています。

ほぼ全範囲の製造技術にアクセスできるFaSTTUBeチームは、3Dプリントを3つの目的で活用しています：

1. プロトタイプ： アンチロールバー取り付け部やHVバッテリー関連部品など、様々なパーツのプロトタイプをプリント。
2. 3Dプリントカーボンファイバー型： 従来では製造不可能だったカーボンファイバーパーツを製造するため、十数個の型をプリント。
3. エンドユースパーツ： 最終車両の約30パーツが直接3Dプリント：ボタンホルダー、ステアリングホイールシフター、冷却システムのホースとセンサーコネクタ等。

このケーススタディでは、ステアリングホイールハウジングとグリップをカーボンファイバーで製造するために使用した成形アプリケーションの詳細を見ていきます。

レーシングカー構築では軽量化が不可欠です。パーツを軽くするために中空ステアリングホイールグリップをプリントする案もありましたが、ドライバーの握力を支えるには強度不足でした。カーボンファイバーは強度を維持・向上しながら軽量化できる優れた材料です。今年カーボンファイバーでパーツを製造するため、空力・カーボン製造責任者のFelix Hilken氏が、ウェットレイアップラミネート用3Dプリント型を使用したワークフローを開発しました。

必要機器：

• Formlabs SLA 3Dプリンター、Tough 1500レジン
• カーボンファイバー：200g、3K、0.3mm、ツイル織りパターン、3層
• 離型剤：ワックスとポリビニルアルコール
• 高強度エポキシレジン
• 刷毛とハサミ
• 真空バッグ、真空ポンプ、ブリーザークロス
• サンドペーパー

グリップは2分割で製造され、パーツを脱型できるようにしました。各グリップ半分について、Felix氏は以下のような、3Dプリントなしでは製造困難な特徴を含む二分割型を設計しました：

• タイトな内部半径、スイープ面、可変半径面などの微細フィーチャー
• アルミ型では脱型不可能な丸いタイトなエッジ
• パーツが位置決めに敏感なため、ドリル位置決め用インデント

チームはFormシリーズプリンターでTough 1500レジン、層高50ミクロンで型をプリント。IPAで2回×10分洗浄し、70℃で60分ポストキュアしました。Tough 1500レジンを選んだのは、伸びと弾性率のバランスが取れているからです：この材料でプリントされたパーツは大きく曲がっても速やかに元の形状に戻ります。これは脱型時の型破損を防ぐために望ましい機械的特性です。

離型剤を塗布して脱型を容易にします。これは重要な第一歩です：一部の面が覆われていないと、パーツが型から離れません。

1. ワックスでコーティング（任意だが推奨）
2. ポリビニルアルコール（PVA）でコーティング

レジンと硬化剤を混合します。混合比は厳密に守る必要があります。目標比から数パーセントでもズレれば、パーツが柔らかすぎたり、部分的にしか硬化しません。レジンメーカーの指示を厳守し、使用前には安全データシートを確認してください。Felix氏が使用したレジンでは、混合後2時間で重合プロセスが開始され、レイアップ作業に2時間の猶予があります。

型のポジティブ側に刷毛でレジンを塗布します。

型のポジティブ側にカーボンファイバープライをレイアップします。すべての輪郭に沿うように注意してください。チームは織り厚さと価格のバランスを取るため3Kファイバーを使用。複雑な輪郭に追従するよう特別に設計され、サポートストランドを持たないものです。

カーボンプライ上にレジンを塗布し、レイアッププロセスを繰り返します。レジンが層を結合し、マトリックス成分を形成し、繊維の再整列を防ぎます。Felix氏は3層のカーボンファイバープライを使用しました。

型のネガティブ側に最終レジン層を塗布し、両半分の型を押し合わせて気泡の形成と繊維への浸透を防ぎます。

余分な材料をハサミで切り取ります。

真空バッグで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吸い出し、プライを型に押し付け、常温で余分なレジンを除去します。所望の体積繊維/レジン比率を確保し、適切なパーツ剛性を実現します。

仕上げ：すべてのエッジをサンディングします。プロセス後の型洗浄のため、Felix氏は約30分水に浸けてPVAを溶解し、その後細かい1500番サンドペーパーで残留レジンを除去しました。

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に削減し、従来では極めて製造困難な形状へ設計を推し進められました。「3Dプリントの素晴らしいところは、複雑な形状もシンプルな形状と同じくらい簡単に製造できることで、同じ作業量と設備で済むことです」とFelix氏は語ります。

3Dプリントなしなら、チームはアルミ型のCNC切削を外部委託する必要があり、高コスト、長いリードタイム、専用工具が必要でした。「CNCで型を削り、専用工具を揃え、マシンのスロットを待つ必要がありました。しかし、この形状はそもそも不可能でした。特に小さなコーナー。ネジのない設計にする必要があり、パーツは位置決めに敏感ではなくなってしまいます。」

彼の試算では、Formlabs Tough 1500レジンでプリントされた1つの型で約10パーツ製造可能です。手作業プロセスなので、オペレーターの丁寧さによります：脱型時に型が割れる可能性があります。しかし、複数の3Dプリント型を使えば生産量を増やせます。型寿命を延ばすもう一つの解決策は、汎用金属型で補強することです。3Dプリントインサートが形状を担い、バックアップ金属型が形状保持を助けます。これは簡易手動フライス盤で製作可能です。

DeltaWing Manufacturingは、アメリカ製高級スポーツカーの設計・製造を行うPanozのためにコンポジットパーツを製造しています。カーボンファイバーコンポーネント製造のため、DeltaWing Manufacturingは以前、パターンを機械加工し、その上にレイアップまたは鋳造で型を作り、型を仕上げてからプリプレグプロセスでカーボンファイバーパーツをラミネートしていました。

近年、このプロセスの中間ステップとして社内3Dプリントパーツを使用し始めました。Panozはカスタムレーシングカー用のカーボンファイバーフェンダーエアダクトを6個必要としていました。従来の型製造技術から労力とリードタイムを削減するため、DeltaWing Manufacturingのエンジニアたちは、直接3Dプリントした型をプリプレグプロセスに導入することを選択しました。

必要機器：

• Formlabs SLA 3Dプリンター、高耐熱レジン
• カーボンファイバー：4K、双方向パターン
• 離型剤：ポリビニルアルコール
• Kapton（ポリイミド）テープ
• 高強度エポキシレジン
• 刷毛とハサミ
• 真空バッグ、真空ポンプ

ダクトは最終パーツの型からの分離を容易にするため、2つの異なる型で2つの異なるピースとして製造され、その後接着されました。各型も2ピースでプリントされ、組み立ててFormシリーズプリンターのビルドボリュームに収まるようにしました——ただし、Form 4Lプリンターのより大きなビルドボリュームならこれは不要です。パーツはアディティブマニュファクチャリング向けに設計され、型設計推奨に従っています。

DeltaWing Manufacturingは、Formシリーズプリンターで高耐熱レジン、層高100ミクロンで型をプリントしました。このレジンが選ばれたのは、Formlabsレジン中最高、市場でも最高レベルの熱変形温度（HDT）238℃ @ 0.45MPaを持つためです。

高耐熱レジンは高温硬化に耐え、作業中に形状を保持する良好な剛性と、最終パーツに転写される高いディテールレベルを示します。Formlabsは高耐熱レジンプリントをIPAで10分洗浄、80℃で120分ポストキュア、さらに160℃で3時間加熱してより高いHDTを得ることを推奨しています。

DeltaWing Manufacturingは、プリプレグ4K双方向パターンファイバーを使用して、プリントされた型で通常のプリプレグプロセスを適用しました。各型をKaptonテープで覆い、各成形イテレーションで表面を更新しました。ファイバーを型にレイアップし、パーツを真空バッグに入れ、オートクレーブで硬化させ、脱型・トリミングしました。プリントされた型は、38℃（100°F）で10時間のスローキュア、または代替として126℃（260°F）で1時間のファストキュアのいずれも損傷なく耐えました。カーボンダクトの両半分は最終工程で接着されました。

チームは1つの型で6イテレーションをテストし、顕著な劣化は観察されませんでした。約10〜15イテレーションが1型で可能と推定されます。プリプレグプロセスではオートクレーブで熱と圧力をかけて硬化するため、プリント型は数回のイテレーション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、短納期バッチと大量カスタマイズパーツの製造に最適です。これにより、ハイパフォーマンススポーツ用品、航空宇宙向けカスタムツーリング、患者固有のパーソナライズド義肢など、医療分野での幅広い応用が可能になります。

従来のカーボンファイバーパーツの強度、耐久性、タフネスと、3Dプリントの俊敏性、幾何学的可能性、再現性を組み合わせたワークフローへの強い需要があります。したがって、多くの3Dプリント企業がカーボンファイバー3Dプリントを提供しており、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によるプリントと連続ファイバーによるプリントです。

チョップドカーボンファイバーを使用し、Fuse 1+ 30W選択的レーザー焼結（SLS）産業用3Dプリンター向けNylon 11 CFパウダーにより、メーカーは従来のオーバーレイや機械加工に頼らず、強靭で軽量、耐熱性のあるパーツを作れます。

Formlabs Nylon 11 CFパウダーは強靭、軽量、耐熱性を備え、自動車、航空宇宙、製造用途に最適です。

繊維強化ポリマー製造はエキサイティングだが、複雑で労働集約的なプロセスです。3Dプリント型とパターンを使ってカーボンファイバーパーツを作ることで、企業はワークフロー複雑性を低減し、柔軟性と設計機会を拡大し、コストとリードタイムを削減できます。

カーボンファイバーの多くのメリットに加え、幾何学的柔軟性とよりシンプルで効率的なプロセスという追加メリットを持つ直接3Dプリントパーツとして、FuseシリーズSLS 3Dプリンター向けFormlabs Nylon 11 CFパウダーのような材料があります。

3Dプリントをカーボンファイバーパーツに活用する最適なアプローチについて、あなたのアプリケーションに合わせてご相談ください。お気軽にお問い合わせください。