連続炭素繊維複合材料3Dプリンター 東京理科大学 理工学部 機械工学科 講師 松崎 亮介 1 研究の背景 樹脂材料用の3Dプリンタ 4年で4.5倍 • モノづくりが劇的に変わる 製造革 命 が起きると予測されている • 世界の3Dプリンタ市場は2017年に 32万台へ拡大 3Dプリンタの世界市場規模推移 （矢野経済研究所, 2014） • 樹脂であるため、構造部材などの製 作には向かない 試作模型や玩具の製作が主体 エンジンブロックの試作模型 (METI Journal, 2013) 2 研究の背景 複合材50% 炭素繊維強化プラスチック（CFRP） • 従来の金属材料よりも，軽量か つ高剛性・高強度 • 航空機，自動車への適用が進む • 現在の複合材料成形は非常に複 雑なプロセス 2D/3D設計 積層 ﾊﾞｷﾞﾝｸﾞ 加熱・硬化 脱型 最新旅客機のCFRP使用比率 （Boeing） 単品加工 ｻﾌﾞ組立 全体組立 ｺｽﾄ 100 3 従来技術とその問題点 CFRP成形 3Dプリンター ＋ ⃝ 高強度・高剛性 金型が必要，高コスト ⃝ 自動で立体造形 強度・剛性が低い 連続炭素繊維複合材料を作る 3Dプリンターがあれば解決できる 高強度連続炭素繊維 4 連続炭素繊維3Dプリンターによる高強度立体造形 • 連続炭素繊維をプリントノズルで熱可塑性樹脂と一体化 熱可塑性フィラメント 連続炭素繊維 ドライブギア プリンターヘッド プレヒーター ヒーター ノズル 連続炭素繊維複合材料 ホットテーブル 5 新技術の特徴・従来技術との比較 l 連続炭素繊維を利用しており高剛性・強度部材を3Dプリント l 金型不要で，3D CADデータから，最適化，成形，加工（ト リム）まで自動化 • 多品種小ロット生産に向く • 開発期間，製造時間，コスト，重量を大幅に低減 l 普及が進む3Dプリンターの技術を 流用できるため低価格 • 類似技術のAutomated fiber placement は1,000万円over．国内での導入は非常 に少ない． l AutomatedFiberPlacement (NetherlandsAerospaceCentre) 繊維方位と含有率を制御できるため，最適化手法と組み合わ せてCFRPの利点を最大限に発揮 6 CFRTP 3Dプリント • 複合材料3Dプリントの様子（movie） 7 繊維切断機構 • プリント中に繊維を切断し，自由 な立体造形を実現する • 炭素繊維切断の様子 （movie） 8 3Dプリントしたダンベル型試験片 • PLA試験片 （強化繊維なし） • 3DプリントCFRP 200mm • 3DプリントJFRP t:4mm →ジュート繊維とPLAによるグリーンコンポジット 9 9 3Dプリント複合材料の材料特性 • 連続炭素繊維を導入することで，剛性と強度が4-6倍に向上 20" 250" ６倍に向上 Tensile"strength"(MPa) 引張強度 (MPa) Tensile"modulus"(GPa) 引張剛性 (GPa) 25" 15" 10" 5" 0" 200" 4.3倍に向上 150" 100" 50" 0" PLA" PLA JFRTP" JFRP CFRTP" CFRP PLA" PLA JFRTP" JFRP CFRTP" CFRP 10 市販工業用3Dプリンターとの材料特性比較 市販の工業用3Dプリンターと比較して，特性が飛躍的に向上 Young's modulus (GPa) 引張剛性 (GPa) 30 25 20 Reinforced FDM 15 連続炭素繊維方式 10 粉末焼結方式 SLS 5 SLA 光造形方式 Continous fiber composites 熱溶解積層方式 FDM 0 0 50 100 150 200 Strength 引張強度(MPa) (MPa) 250 11 装置イメージ l デスクトップ複合材料３Dプリンター • 3D CADデータから，繊維配向を最適化 • デスクトップ上で高強度炭素繊維複合材料を３Dプリント • ヘッドを変換することで加工・トリムまで l 構成 • 高剛性土台 ・ 複合材成形用の重量ヘッドに対応 ・ 3D CNCに対応 • 複数種類のヘッド ・ スピンドルCNC加工 ・ プリプレグテープレイアップ ・ その場含浸CFRTP • ソフトウェア ・ 繊維配向最適化 スピンドル装着（3D CNC） プリプレグテープレイアップヘッド 12 新しい設計概念が新しい製品を生み出す • 従来の直線的な繊維配向に縛られず，曲線繊維配向も含め 設計の自由度が大きく増す． • 新しい設計概念により，新しい製品を生み出すことが可能 • 同じ３D CADデータから違う製品ができるので Optimizerの性能によって製品性能が決まる． →曲線配向も含めた最適化の知見蓄積あり． 連続繊維配向 応力分布解析結果 繊維含有率を考慮 13 新しい構造も自動製造可能 • 自動アイソグリッド構造成形 • 応力集中緩和 • 曲げ加工 • 層間はく離の防止 • サンドイッチ構造 • 剛性/強度テーラリング 14 ものづくりのソフトウェア化 • 繊維配向最適化と強度データベースを握る． • ものづくりがソフトウエア化され，日本に情報センターがで きて技術コピーが困難に． 工場 製造 ・デジタル設計情報 ・設計条件 開発迅速化 フレキシブル生産 情報センター 15 想定される用途 用途 l 小ロット多品種で構造強度を要する部材の製造に適し，開 発期間，製造時間，コスト，重量を大幅に低減 l 航空機・自動車・医療・一般作業機械分野．特に加工用の 治具や，義足・アシストスーツなどの医療介護機器 l 3Dプリンターと金属部品の組付けロボットを組み合わせた 一括製造への展開も可能 その他の展開 l ハイアマチュア l 大学・企業研究機関 • 教育：プロトタイピング，設計，最適化 • 研究：多様な要求に対応 16 実用化に向けた課題 • 現在，繊維配向最適化，連続炭素繊維3Dプリント， 繊維切断の要素技術は開発済み． • 繊維体積含有率を従来CFRP製品と同等レベルまで 引き上げる点が未解決 • 今後，高繊維体積含有率を達成するノズル・フィ ラメント開発を行っていく． • 実用化に向けて，立体造形の精度を従来の３Dプリ ンター程度まで向上できるよう技術を確立する必 要もあり． 17 企業への期待 • 小ロット多品種の強度部品（の製造）が 必要な企業には，本技術の導入が有効と 思われる． • 完成された装置製品として製造できる技 術を持つ企業との共同研究 • ３Dプリンター分野への新規事業展開を考 えている企業との共同研究 • ベンチャー企業設立への支援 18 本技術に関する知的財産権 PCT出願 発明の名称：三次元プリンティングシステム、三次 元プリンティグ方法、成形装置、繊維 入りオブジェクト及びその製造方法 出願番号 ：PCT/JP2015/ 65300 出願日 ：平成27年5月27日 19 産学連携の経歴 • 2014年- 戦略的基盤技術高度化支援事業（サポ イン事業）サポートインダストリー事業に採択 • 2015年- NEDO次世代構造部材創製・加工技術 開発に採択 20 お問い合わせ先 • 東京理科大学 • 研究戦略・産学連携センター • URA 森谷 麗子 TEL 03-5228-7440 FAX 03-5228-7441 E-mail [email protected] 21
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