3 D印刷における炭素繊維：可塑材製造による複合材料部品の再形成方法

3 D印刷における炭素繊維：増材製造と高性能複合材料の結合

長年、炭素繊維と3 Dプリントは異なる世界で暮らしてきた。複合材料は高圧滅菌器、金型、熟練した積層機に属する。増材製造は安価で脆弱な原型、ステント、プラスチックに属する。この分離はもう消えた。

原因は簡単です。印刷は幾何形状の自由度を与え、炭素繊維は剛性と強度を与えた。両者を一緒にすると、軽量で頑丈でユニークな形状の部品を得ることができますが、金型はコピーしにくいです。中低生産量のカスタム構造が必要な業界では、この組み合わせは無視されにくい。

本文は炭素繊維が増材製造にどのように使用されるか、どの材料形式が最も効果的か、重要な印刷方法、および購入者が印刷複合材料部品を指定する前に何を考慮すべきかを紹介した。

1.なぜ増材製造にはより硬い材料が必要なのか

PLA、PETG、ABSなどの標準印刷フィラメントは便利ですが、その機械的限界はすぐに現れます。印刷スタンドが曲がっている。印刷治具は負荷下でドリフトする。印刷ケースは暖かい条件下で這う。

1.1プラスチック部品の剛性隙間

通常の印刷プラスチックの引張弾性率は低い範囲にあり、通常は2〜3.5 GPaの間にある。アルミニウムは約70 GPaである。このギャップは、印刷プラスチック部品が柔軟に感じられる理由と、構造的なタスクのために信頼されていない理由を説明します。炭素繊維を添加すると、プラスチックは金属になりませんが、熱膨張を減らしながら剛性を数倍にすることができます。

1.2炭素繊維は何を変えたのか

ショートカットまたは連続的な炭素繊維強化材料は同時に3つのことを高めた：剛性、寸法安定性と強度。部品は負荷下でよりよく形状を保持でき、加熱時の反りが小さく、変形に抵抗する時間が長くなる。トレードオフとして、材料はより粗く、より高価になり、印刷に対する耐性が低くなります。これは、プロセス制御が通常のフィラメントよりも重要である理由です。

炭素繊維複合材料を印刷するには、単一の方法はありません。4つの方法は、コスト、強度、複雑さの異なるバランスに適した、現在のほとんどの工業的および作業場での使用をカバーしています。

2.1短繊維強化フィラメント印刷

これが一番たどり着きやすいルートです。ショートカットされた炭素繊維を熱可塑性粒子に合成し、FDMプリンタのフィラメントに押し出した。この方法で製造された部品は、補強されていないプラスチックよりも硬く、安定しており、設備の要求も高くない。

制限は繊維の長さと配向にある。繊維は短くランダムに分布しているので、均一で適度に強化されています。このルートは、主要な構造部材ではなく、固定装置、クランプ、ハウジング、および機能原型に適しています。

連続繊維印刷は乾燥した炭素繊維トウまたは予備含浸した糸を熱可塑性プラスチックと一緒に送り込み、長繊維を荷重が進行する場所に正確に敷設する。結果は、充填プラスチックではなく、真の複合構造です。

短繊維印刷に比べて、繊維が負荷をかけ続けているため、強度と剛性が急激に上昇しています。設計者は、印刷部品が通常故障する場所である湾曲軸に沿って、または穴の周りに光ファイバを整列することができます。この方法は速度が遅く、専用ハードウェアが必要ですが、構造ブラケットと荷重フレームの場合、通常は唯一の有効な印刷オプションです。

2.3粒子と大幅な面押出

粒子ベースのプリンタはフィラメントを完全にスキップし、粒子から炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを直接押し出す。材料コストが低下し、堆積速度が上昇し、部品サイズが増大した。このような大幅な面機械で生産された金型、工具、超大構造はフィラメントで印刷できない。

混合方法で炭素繊維強化コアまたは内部骨格を印刷し、次に手または真空注入で炭素繊維織物と樹脂を被覆する。これにより、印刷の幾何学的自由度と古典的複合材料作品の高繊維体積率が結合されます。これはツール、プロトタイプ、小ロット生産でよく見られ、これらの生産ではサイクル時間よりも性能が重要です。

3.プロセスに原料を提供する形態

印刷複合材料の品質は入力材料に大きく依存する。異なる繊維形態は異なる印刷戦略にサービスし、それらを理解することは購入者が正しい等級を指定するのに役立つ。

3.1炭素繊維の短絡及び研磨

短切炭素繊維と研磨級炭素繊維はフィラメントと粒子生産の主力軍である。繊維長は切断中に制御され、剛性、流動挙動、表面仕上げに直接影響する。短い繊維は印刷しやすく、長い繊維は補強効果が高い。

3.2連続牽引とプリプレグ撚糸

連続繊維印刷は炭素繊維トウに依存しており、樹脂を予め含浸しておくことがある。フィラメントの数やスラリー互換性などのトウの規格は、繊維と熱可塑性マトリックスの結合度を決定します。ポリマーに適したスラリーを選択するトウは、印刷複合材料の仕事で最も無視されがちな詳細の1つです。

3.3同じ構築におけるサポート材料

複合材料部品は材料であることが少ない。アラミド繊維及び予備酸化繊維製品、酸化繊維糸及び酸化繊維フェルトを含み、耐衝撃性、難燃性又は断熱性を必要とする印刷ユニットに登場する。例えば、印刷されたドローンフレームは、炭素繊維を使用して剛性を高め、アラミドを使用して衝撃を受ける領域を増やすことができます。

4.炭素繊維部品を印刷する作業が行われている場所

この技術はプレゼンテーションの段階を超えています。

4.1工具、治具及び固定装置

製造技師は印刷炭素繊維を用いてドリルダイ、アライメント治具、検具及び組立補助工具を作製する。これらの部品は通常、1回または小ロットであり、印刷により金型のコストと納期を削減できます。補強材の剛性により、治具は繰り返し使用する際に正確に保持される。

4.2航空宇宙と無人システム

ドローン、ドローンフレーム、小型衛星部品は、設計が反復するたびに幾何学的形状が変化するため、炭素繊維の印刷に有利である。印刷により、ツールを待つのではなく、チームが数日以内に新しいフレームワークをテストできます。重量の軽減は飛行時間とペイロード能力に直接変換される。

4.3医療設備と義足

印刷された部品が後にモールドされた製造バージョンに置き換えられても、印刷はスキャンからアセンブリへの経路を短縮します。

4.4工業と自動車の発展

自動車チームは炭素繊維強化ツール、アームエンドクランプ、プロトタイプ構造部品を印刷した。レーシングカーとレーシングカープロジェクトは、印刷複合材料によって空力試験片と内部スタンドを作製する。工業環境において、印刷炭素繊維ロボットエンドエフェクタは運動品質を減少させ、サイクル時間と精度を向上させた。

4.5エネルギー、海洋、スポーツの応用

風力エネルギーチームは複合材料金型とブレードプラグインを印刷する。海洋建設業者が印刷した金型と部品は塩水に抵抗できる。運動器材開発者は原型自転車部品、パドルブレード、防護装備ケースを印刷した。

5.印刷複合材料が従う設計規則

印刷炭素繊維の設計は、成形複合材料や通常のプラスチック印刷の設計とは異なる。いくつかの原則は、一部が実行されるか失敗するかを決定します。

5.1負荷経路優先

連続光ファイバの場合、設計者は光ファイバの方向を制御するため、最終的にジオメトリを決定する前に負荷パスを定義する必要があります。繊維は部品の張力方向に従う必要があります。一方の方向に強いスタンドは他方の方向に弱い可能性があり、プリンタはこの異方性を完全に設計通りに再現します。

5.2層方向と異方性

印刷部品は層間で最も弱い。レイヤ境界にプライマリ荷重を置く設計は、レイヤを作成します。★QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610☆QADB 610構築方向を回転させたり、重要な領域の周りに連続したファイバリングを追加したりすることで、通常はこの問題を解決することができます。この問題は、最初の失敗の後ではなく、設計レビュー中に解決する必要があります。

5.3肉厚と繊維含有量

厚い壁と高い繊維含有量の両方が剛性を高めますが、印刷時間と隙間のリスクも高くなります。各プリンタと材料には実用的な範囲があり、それを超えると内部欠陥が発生し、利得が低下することがよくあります。

5.4ノズル摩耗とプロセス制御

炭素繊維は研磨性を有する。標準黄銅ノズルは摩耗が速く、硬化鋼や炭化物部品は常態である。印刷温度、流速、冷却は補強材料に対して調整しなければならず、フィラメントの一貫乾燥はほとんどのオペレータが予想しているよりも重要である。

6.印刷複合材料と従来の複合材料製造との比較

それは異なる位置を占めており、選択は通常体積と幾何学的形状に帰結されます。

6.1印刷に勝った場所

幾何学的形状が複雑で、体積が小さく、設計変更が頻繁であるか、部品が成形できない場合は、印刷が勝ちます。ツールコスト、高速反復、チャネル、ボス、ラティス構造などの統合機能がないことは、低生産性では経済的にマッチングできない従来の方法の真の利点です。

6.2伝統的な複合材料は依然としてリードしている

引出し炭素繊維形材と圧縮硬化プリプレグ部品も、印刷がまだ大規模に整合していない一貫性を提供する。

6.3同じプログラムで両方を使用する

最も実用的な戦略はしばしば結合される。チームは炭素繊維金型を印刷して伝統的な複合材料部品を生産し、原型構造を印刷してテストを行い、その後、設計が確定した後に成形または引張生産を行う。どの方法でも得意なことをします。

7.購入者は印刷炭素繊維を指定する前に何を聞くべきか

印刷複合材料部品を購入したり、材料を提供したりする材料は、任意の複合材料の購入決定と同じ規律が必要です。

7.1繊維形態と等級

この部品にショートカット繊維を使用しているか、研磨繊維を使用しているか、連続トウを使用しているかを尋ねます。どちらも性能と価格に影響するため、公称繊維含有量とベースポリマーを提供することが求められている。

7.2機械データと試験方法

印刷複合材料は異方性であるため、単一の延伸数では不十分である。複数の方向にデータを検索し、関連する場合に層間プロパティを検索します。印刷複合材料を知るベンダーは、汎用材料テーブルではなく方向感知データを提供します。

7.3ロット間の一貫性

繊維長分布、糊付け、含水量は印刷適性に影響を与える。バッチとバッチの一貫性は、小さな変更が最終品目に直接伝播するため、印刷では多くの他のプロセスよりも重要です。

7.4サポートとアプリケーションの提案

繊維形態、寸法互換性、印刷パラメータについて提案できるベンダーは、特に複合印刷初心者にとって開発サイクルを大幅に短縮しています。

8.展望：印刷複合材料は標準的な選択になりつつある

進行方向は明確である。プリンタハードウェアはますます速くなり、ますます大きくなり、連続光ファイバシステムはますます強くなり、材料ベンダーはより広範な強化レベルを提供している。これらの改良に伴い、印刷炭素繊維は、ますます多くの部品に使用されるために、プロトタイプ製造現場から通常の生産に移行する。

複合材料業界にとって、これは競争ではなく添加剤です。増材製造は炭素繊維製品に新たな道を開き、繊維は金型を必要とせずに完成品構造になる。これは市場を分割するのではなく、市場を拡大します。

上海タン鎖新材料科学技術有限公司は伝統的な複合材料の製造と印刷複合材料の開発に適した形式で炭素繊維とアラミド材料を提供し、炭素繊維トウ、短切断炭素繊維、炭素繊維織物、炭素繊維プリプレグ、アラミド繊維、プレ酸化繊維糸、プレ酸化繊維フェルトを含む。

私たちの炭素繊維と特殊繊維製品シリーズを探索したり、印刷複合材料プロジェクトに適切な繊維形態を推薦するために、あなたの応用詳細情報を送信したりします。