3Dプリンティングが複合材製造に革命をもたらす理由

3D Science Valleyの市場ウォッチによると、複合材料は様々な用途でその地位を確立しています。特に主要な航空機部品など、様々な貴重なコンポーネントの製造において、実証済みの材料と方法を提供しています。複合材料の応用はさらに進んでおり、現在では3Dプリンティングがこの進歩を加速させています。付加製造技術の発展により、金型を必要とせずに複合材料から部品を製造する方法が提供され、同時に複合材料業界の製造方法に新たな選択肢をもたらしています。

より柔軟な複合材製造

3Dプリンティング・付加製造の発展トレンドは、多次元的な深化レベルに向かっており、大量生産応用に対応し、アプリケーション側へと拡張しています。産業化への発展パスの一つは、新材料と新製造プロセスの組み合わせです。

「複合材」は一般的に、連続または不連続繊維（通常は炭素繊維、ガラス繊維、ジュート、亜麻、アラミド、玄武岩繊維などの天然繊維）で強化された熱硬化性または熱可塑性ポリマーマトリックス材料を指します。

航空機産業では、例えば1970年には旅客機に複合材料はゼロでしたが、現在ではボーイング・ドリームライナーの80%が複合材料です。また、自動車産業では、例えばGEが1980年代に自動車の応力を受けない鋼鉄部品（バンパー、エアフィルターハウジングなど）をプラスチック部品に置き換えました。付加製造された炭素繊維複合部品も、同じように既存の多くの部品を置き換えることに成功しています。

航空機産業と比較すると、自動車分野における炭素繊維複合材3Dプリンティングの最初の機会は、スポイラー、ステアリングホイール、ドアハンドルなどの部品にあり、その後徐々に大型構造部品の置き換えへと移行していくでしょう。

オーディエンスにとって、現在の複合材料で最も価値のあるエンドマーケットは航空宇宙です。航空宇宙では、胴体外皮、ストリンガー、フレーム、翼構造（翼外皮、スパー、ストリンガー）、尾翼構造、窓周り、内装部品（荷物収納棚、内装間仕切り）など、様々な部品と構造に複合材料が使用されています。機内の壁も多くの場合、複合材料で作られています。

同時に、材料量の観点からは風力発電業界などの他のエンドマーケットもあり、複合材料で作られた風力ブレードなどが該当します。

複合材製造において、付加製造の役割は、既存の複合材製造では不可能な離散部品や少量生産を検討する際に、部品をより効率的かつ迅速に製造することです。付加製造によりこれが可能となり、付加工程で連続繊維を使用することで、強度と剛性の要素が導入され、部品の応用側面を次のレベルへと引き上げます。

複合材3Dプリンティングの5つの技術

1. 現場含浸法： 乾燥繊維をノズルに供給しながら、共押出しによる堆積時にマトリックス材料を1つ以上の流入手段で注入します。マトリックスが導入・加熱され、繊維が堆積前に現場で含浸されます。

2. タワー付き共押出し法： 乾燥繊維の代わりにプリプレグ/薄いプリプレグテープをノズルに供給し、加熱して他のマトリックス材料と共押出しします。通常、両方のマトリックスは共押出しのものと同じです。Anisoprintは例外で、プリプレグマトリックスは熱硬化性ですが共押出しは熱可塑性です。

3. トウプリプレグ押出法： トウストックの投入を加熱・押出し、他の材料を使用しません。

4. 現場圧縮法： このプロセスは、熱可塑性樹脂向けの自動ファイバープレイスメント（AFP）の縮小版に似ており、投入される熱可塑性トウ/プリプレグテープが堆積時に現場で硬化されます。供給プロセス中、原材料はノズルで外部エネルギー源によって加熱され、その後、堆積プロセス中に圧力ローラーによって配置・硬化されます。

5. インライン含浸法： 3Dフィラメントワインディングに類似し、繊維がプリントヘッドに供給される際に含浸されます。トウ押出し法と同様に、堆積はノズルを通じて行われます。

複合材3Dプリンティングの応用開発

では、現在複合材でどのような部品が製造可能か、あるいはAM（付加製造）プロセスによってより容易になるものは何でしょうか。

様々なブラケットとファスナーは航空宇宙産業で広く使用されており、特に一部の航空機構造において重要です。例えば、胴体外皮内の一連のフレームとストリンガー。現在の製造体制では、フレームと構造を胴体外皮に接続するために機械的ファスナーが必要です。これは現在、従来の複合材製造（圧縮成形）で作られる様々な複雑なブラケット、ファスナー、その他のハードウェアを使用して行われていますが、将来的には生産量と材料要件に応じて、付加製造によってより効率的に行われるようになるでしょう。

もちろん、航空機のような大規模な応用シナリオだけでなく、3Dプリンティング複合材料は小規模なシナリオでも想像力豊かな応用空間を持っています。

AM（付加製造）により、複合材料はより小さく、より複雑で、少量生産の部品に対してますます実用的になっています。例えば複合材料メーカーのHexcelは、同社の「HexAM」複合材付加製造プロセスを使用して、無人航空機（UAV）部品を3Dプリントしています。

しかし、少量でやや複雑な部品について言えば、今日の機械加工金属部品の代替品がより想像しやすい部品かもしれません。金属部品を複合材で置き換えることは、約50年間複合材業界のやり方でした。しかし、付加製造複合材料が金属製品を置き換える際に直面する課題は解決する必要があります。

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