カーボンファイバー3Dプリンティングを理解する：タイプとテクニック

炭素繊維は単独で使用されることはほとんどありません。他の材料と組み合わせて複合材料、特にこの場合は炭素繊維強化材料と呼ばれるものを形成します。炭素繊維3Dプリントは、炭素繊維を基材と複合させることで軽量と高強度を両立し、プラスチック部品に金属並みの強度、耐熱性、耐薬品性、耐食性を付与します。航空宇宙、自動車製造、建築工事などの業界向けに、炭素繊維強化材料またはこの複合材料と組み合わせた技術を提供する3Dプリント企業が増加しています。本記事では、炭素繊維3Dプリントの定義と種類を紹介します。

出典: https://www.nitprocomposites.com/products

技術原理と材料タイプ

FDM 3Dプリントでは、炭素繊維は通常、短繊維または粉砕繊維の形で熱可塑性フィラメントに埋め込まれます。これらの繊維は補強の「骨格」として機能し、剛性、寸法安定性、耐熱性を高めます。Markforgedの独自技術のような連続炭素繊維材料とは異なり、FDM炭素繊維はポリマーマトリックスに分散した短繊維に依存します。

繊維形態と加工方法により、主に3つのタイプに分類されます：

粉砕炭素繊維材料

ミクロン級の炭素粉とプラスチックを混合し、マットな表面効果は得られますが、材料強度は著しく低下します。このタイプは価格が安価（例：ABS混合材で30ドル）で、外観プロトタイプまたは非負荷部品にのみ適しています。

短繊炭素繊維複合材

工業用グレードの材料は0.5–1mmの短繊炭素繊維で補強され、用途に応じて分類されます：

汎用：ナイロンなどのエンジニアリングプラスチックと配合し、衝撃耐性を向上

航空宇宙グレード：PEEK、PEIなどの高性能ポリマーと組み合わせ、耐高温要件を満たす

このタイプは機能プロトタイプ、生産用治具、過酷環境でのエンド部品に使用でき、基材の特性を85％維持しながら寸法安定性を大幅に向上させます。

連続炭素繊維技術

Markforged代表の連続繊維プロセスは、連続炭素繊維束を層状に積層することで金属に近い機械的特性を得ます。製品強度は一般プラスチックの30倍、比強度はアルミの3倍、密度は鋼の1/7です。特殊設備と高コストが必要ですが、負荷構造部品の置換に優位性があります。

出典: https://3dprintingindustry.com/

材料加工とプロセス制御

短繊炭素繊維

炭素繊維3Dプリントは、短炭素繊維強化熱可塑性樹脂を使用します。これらの短繊維は通常1mm未満で、PLA、PETG、ABSなどの基材に均一に混合され、材料の強度と剛性を高めます。炭素繊維充填材は部品の機械特性を大幅に向上させますが、高硬度と耐摩耗性によりノズルの摩耗が激しくなるため、ステンレス鋼、焼入れ鋼、または炭化タングステンノズルの使用を推奨します。さらに、炭素繊維含有量が高すぎると印刷表面の仕上がりに影響するため、要件に応じて適切な比率を選択してください。

印刷設定では、炭素繊維強化材料の温度設定は基材と同様です。例えばCF-PLAは通常のPLAのパラメータを参考にできますが、炭素繊維の添加により溶融流動性が影響を受けるため、印刷速度を適度に低下（30–50mm/s）させ、層間接着を高めることを推奨します。印刷後は炭素繊維粒子がノズル内に残留しやすいため、純PLAフィラメント15–20cmでクリーニングを行い、ノズル詰まりを防ぎます。さらに、炭素繊維の高い摩耗性はノズル劣化を加速させるため、ノズル摩耗を定期点検し、耐摩耗ノズルへ交換することで印刷品質と設備寿命を維持します。

連続炭素繊維

繊維充填フィラメントとは異なり、連続繊維はContinuous Fiber Reinforcement（CFR）という追加プロセスで実現されます。CFRによりユーザーは部品内に連続繊維を柔軟に配置でき、負荷要件に応じて戦略的に配向させて最適な効果を得られます。最適化された部品は製造時間とコストも削減できます。Markforged(https://markforged.com/)によれば、連続繊維使用時は2つの鍵となる方法で調整します：1. 各層に連続繊維を配置するかどうかを決定 2. 補強が必要な各層の補強戦略を決定します。一般的な連続繊維技術の例：

サンドイッチパネル

従来の複合積層同様、サンドイッチパネルは部品の上下表面のみに連続繊維を追加します。曲げ負荷では部品表面の応力が最大となるため、サンドイッチパネルはZ軸方向の力を抵抗します。

シェル

シェルはサンドイッチパネルに似ていますが、各層の壁内に連続繊維の閉ループを使用します。シェル補強では各層の周囲に連続繊維を配置し、XY平面沿いの力に抵抗します。

ストリップ

ストリップはサンドイッチパネルスタイルですが、部品の重要なエリアに連続繊維の「ストリップ」を追加します。ストリップは高さのあるサンドイッチパネルで負荷を分散させ、インフィルの座屈リスクを低減します。