2019年3月、世界複合材料分野トップクラスの展示会JEC組織委員会は、2019年度増材製造（3 Dプリント）革新賞を米国の連続複合材料会社、空軍研究室、ロッキード・マーティングループに授与し、連続繊維3 D印刷技術の開発における革新的な成果を表彰する。連続複合材料会社は連続繊維強化3 D印刷技術の先駆者で、2012年に世界最古の技術特許を取得しました。米国が2014年に初めて連続繊維3 Dプリンタを発売して以来、この技術は急速に発展し、航空分野で応用されている。技術の次第に成熟し、大規模な普及応用に伴い、この技術は、既存の複合材料無人機、低コスト複合材料航空構造の生産パターンを覆すことになる。
連続繊維3 Dプリント技術のメリット
連続繊維3 Dプリント技術は工業用ロボット、3 Dプリントエンドエフェクタ、その場検出、知能モニタリングと機械学習などの技術を総合的に利用して、連続繊維強化体の高速輸送、堆積、及び基体樹脂のその場浸漬、固化を総合的に利用して、従来の自動敷線成型及び溶融成形などのプロセスに比べて、自動化の程度と柔軟性がより高く、典型的な炭素に対して繊維/ポリエステルエーテルケトン部品は、研究開発期間を元の1/30に短縮し、生産速度を100倍に高めることができます。連続繊維3 Dプリンタは、複数のロボットでフレキシブルユニットを構成し、ロボットには複数の3 Dプリントエンドアクチュエータを追加することができます。同時に、ヘッドは炭素繊維、ケブラ、ガラス繊維、さらには光ファイバ、金属ワイヤーなどの材料をサポートします。この技術は複合材料部品を大量に生産することができます。また、複雑な幾何形状を一度に印刷することもできます。精密製造の肝心部品。
連続繊維3 Dプリント技術の発展方向
現在、米欧の3 D印刷技術開発者とロボットメーカーはすでに一連の先進的な連続繊維3 D印刷設備と製造プロセスを共同開発しました。主な応用方向と発展状況は以下の通りです。
低コスト複合材料構造の大量生産
米アリボは熱可塑性前浸シルクを部品にプリントできる直接エネルギー堆積（DED）プロセスを開発し、エアバスキャピタルは同社への投資に参加した。DED作業ユニットは、産業用ロボット、レーザー加熱ヘッド、回転により構成され、従来の3 D印刷に比べて、生産速度を100倍に高めることができます。無人機の機体や翼などの航空部品のほか、無人機の枠組みと似た構造の自転車の車台も生産し、繊維3 Dプリント技術で開発サイクルを18カ月から18日間に短縮しました。同社は2019年2月に導入した新工場には8つのロボットの作業ユニットがあり、プリント自体、後処理（穴あけなど）、塗装用の前磨きを含め、毎日8つの大型部品を生産できる。同社は、1台のロボットごとに複数のヘッドを運転し、作業ユニットごとに複数のロボットを動作させることで、生産速度をさらに3倍に向上させるテストを行っている。全体の高速化過程で品質と再現性を維持するために、同社はその場検出とマシン学習技術を採用し、プリントヘッドに複数のセンサー（高さ、圧力、変形などを測定する）を配置し、システムソフトウェアはこれらのセンサーデータを使用し、必要に応じてリアルタイムでプロセスパラメータを調整する。このように、ワークユニットがより速く動作する必要がある場合、堆積速度、加熱、硬化、および他のパラメータが最適に一致することを保証することができる。
パラレルロボット、モジュール化同軸押出エンドエフェクタからなる高度に固定化された3 D印刷装置を米国軌道複合材料公司が開発し、ノズルを絞り出し、その中から心孔を通して基体材料を供給し、周辺のリングノズルを通じて繊維を供給し、パラレルロボットは複数台の協力で生産速度を高め、従来の3 D印刷より100倍速い。この技術の特徴は、ほとんどの複合材料に適応できることである。3-48 Kフィラメントの乾燥と粘合繊維、熱硬化性/熱可塑性プラスチックと炭化ケイ素を含むプラスチック、セラミックまたは金属マトリックス、銅またはアルミニウム線、ナノ材料、導電性インク、その他の多機能構造を実現する材料を結合することができる。これは特に人のいないアプリケーションに適しています。一つの設備を投資すれば、すべての構造と機能コンポーネントに応用できます。
イタリアのモイ複合材料会社が開発した連続繊維製造プロセスは、熱硬化性樹脂を用いた3 D印刷の挑戦を解決するために開発され、エポキシ樹脂、アクリル酸、ビニルベースで連続ガラス繊維強化複合材料を印刷することに成功しました。炭素繊維応用に適した硬化機構に加えて，このプロセスは紫外線硬化方式を用いてもよく，必要な固化時間は1秒以下である。現在、この技術は航空構造部品の製造に使われ始めている。
複雑または精密構造の快速開発と小ロット生産
米サウスカロライナ大学McNair航空宇宙イノベーションと研究センターの研究チームが開発した融液フィラメント製造（FFF）プロセスで、FFFシステムは連続繊維堆積端末アクチュエータを備えた産業用ロボットプラットフォームを使って、7つの自由度を提供します。この技術は三種類の応用にとても適しています。一つは金型やコアのコストが相対的に高すぎる小ロット航空構造の製造で、例えば、特定の高強度のコンポーネントだけが必要な無人機や小型航空機。もう一つは、他の製造方法を利用して、必要な強度の品質比と剛性の品質比の高度に複雑な構造を作ることができません。3つはセット印刷であり、これは印刷中にコンポーネントを挿入して印刷部品に完全に埋め込む技術であり、プリント部品に無線周波数識別チップや電子センサを埋め込むなどの部品統合が可能である。伝統的には自動絹糸を敷いた航空構造の集積度が低いが、この技術のハイライトは、熱可塑性プラスチックを使って複合材料構造を製造すれば、毎回重ね刷りによって新たなコンポーネントを溶かし直し、リベット、締め付け、接着剤を除去することによって、これらの構造を著しく改善することができることである。
オランダCEADグループは2018年11月に「上質」（Prime）の大型連続繊維増材を3 Dプリンタに製造した。サイズは2メートル×4メートル×1.5メートルで、ヨーロッパ最大の3 Dプリンタである。製造過程において、プリンタはまず必要な熱可塑性樹脂を使用して連続ガラス繊維または炭素繊維をプリ浸漬し、その後、連続繊維を融解された熱可塑性樹脂粒子と結合させ、その中には一定の割合の短切繊維を含み、特に小ロットで大型複雑製品を生産するのに有利である。また、熱感知カメラでプロセスを監視し、必要に応じてリアルタイムで調整できるスマート加熱・冷却システムを備えています。
複合繊維による押出プロセスに基づく3 Dプリンタを開発したのは、フィラメントを強化してプリンタに送る前にプリ浸漬処理を行ったのですが、フィラメントは特殊な調合を施した熱硬化性樹脂をプリ浸漬したもので、基体樹脂は熱可塑性プラスチックであり、熱硬化性ポリマーは熱可塑性プラスチックよりも濡れやすいためと言われています。シングルワイヤは、より良い接着力を提供し、固化部品の品質を向上させることができます。
速度と精度を組み合わせた複雑な構造を大量生産
米マーク鍛造会社が開発した連続繊維システムは二つのヘッドを使用し、一つは基体樹脂に用い、もう一つは熱可塑性樹脂の前浸フィラメントに用いる。技術改善の重点は信頼性と再現性である。会社は技術の完全な閉ループを実現することに力を尽くして、そしてこのために一連の機能を開発しています。このシステムの重要な応用の一つは印刷治具と部品であり、マシンアルミニウムの部品と比べて、3 D印刷の熱可塑性製品は同じように丈夫で、しかも軽いです。金属部品のように部品を破壊することはなく、同じ日に準備できます。これは航空複合材料製造金型の発展を促進することができます。
米Continous Compsites社が革新賞を受賞した連続繊維印刷（CF 3 D）プロセスは、高速硬化熱硬化性樹脂（プロセスは熱可塑性プラスチックにも適用される）を使用して、強化繊維をプリントヘッドに浸漬し、材料堆積後すぐに複合材料を固化する。熱硬化性材料はこのプロセスを自由空間で高速印刷を可能にし，繊維体積含有量は50%～60%に達することができる。受賞項目の重要な進展は、より自動化されたツールパスの生成手段と、自動化されたツールの交換によって、同じ部品で高解像度の単一チャネルの印刷と高堆積率の多チャンネルの印刷が可能になり、ロボットの精度と精度を向上させるなどがあります。同社は今後、必要に応じて航空機全体の構造を印刷することになると予想している。10件も1万件も。
スイスの9 T実験室は連続格子製作プロセスに基づいて「炭素セット」システムを開発しました。工業級の安価な材料を使って複合材料棒を引き出し、ロッドは牽引ユニットを通して熱調節可能な押し出しヘッドに入ります。システムは一連の熱可塑性基体と協力して使用できます。繊維体積の含有量は50%以上に達することができます。このシステムのもう一つの重要な特徴は，異なる断面積をスケーリングして押し出すことができることであり，これにより，小さなフィラメントを持つ高分解能応用に適応でき，大きなフィラメントを持つ大きな面増材製造，例えば，筋付き壁板のような。すでに展開されているプロジェクトの確認により、毎年約30000個の部品を生産することができます。
示唆を与える
現在、連続繊維3 D印刷技術には、2つの主要な問題が存在している。1つは、繊維含有量が低く、印刷層間の階層化の可能性が高いこと、2つは、標準化されていない連続ツール経路の生成商業ソフトウェアである。将来、これらの問題が解決されるにつれて、この技術は柔軟に開放され、高速で効率的で、低コストで、完全に自動化された生産などの優勢によって、伝統的な複合材料の製造技術と競争することになります。この技術の成熟と大規模な普及応用によって、航空製造業の探索をさらに促進し、3 D印刷方式で無人機、複雑な航空構造及び製造治具を量産し、航空複合材料の発展の新たな波を開くことが予想される。
世界の急速な技術発展の勢いに直面して、中国と日本は情報追跡と判定を強化するべきで、共同原材料、ロボット、エンドエフェクタ、3 D印刷ソフト、センサー、機械学習、デジタル制御システムの優位企業、早期にいくつかのシリーズの自主的に制御可能なプロセスと装備を開発し、検証し、規模化された製造プロセスと装備産業を形成し、我が国の製造業の生産効率と品質を向上させ、未来の航空複合材料の構造設計と製造に直面する高速、低コスト競争を迎えるため、そして、将来の無人機を代表とする航空設備の低コスト大量量を満足させ、必要に応じて製造する必要があります。
