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

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研究の背景

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• 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

• 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)

樹脂材料用の3Dプリンタ

3Dプリンタの世界市場規模推移（矢野経済研究所, 2014）

4年で4.5倍

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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 加熱・硬化 単品加工 全体組立脱型ﾊﾞｷﾞﾝｸﾞ ｻﾌﾞ組立

ｺｽﾄ100

研究の背景

最新旅客機のCFRP使用比率（Boeing）

複合材50%

3DプリンターCFRP成形

高強度連続炭素繊維

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

従来技術とその問題点

◯ 自動で立体造形

× 強度・剛性が低い

◯ 高強度・高剛性

× 金型が必要，高コスト

＋

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ホットテーブル

ノズル

連続炭素繊維

プリンターヘッド

熱可塑性フィラメント

プレヒーター

ヒーター

ドライブギア

連続炭素繊維複合材料

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

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新技術の特徴・従来技術との比較

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

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

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．

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

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Automated Fiber Placement(Netherlands Aerospace Centre)

CFRTP 3Dプリント

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• 複合材料3Dプリントの様子（movie）

繊維切断機構

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• 炭素繊維切断の様子（movie）

• プリント中に繊維を切断し，自由な立体造形を実現する

3Dプリントしたダンベル型試験片

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• 3DプリントJFRP →ジュート繊維とPLAによるグリーンコンポジット

• 3DプリントCFRP

t : 4 mm

200 mm

• PLA試験片（強化繊維なし）

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3Dプリント複合材料の材料特性

10

0

5

10

15

20

25

PLA JFRTP CFRTP

Tensile

mod

ulus

(GPa

)

0

50

100

150

200

250

PLA JFRTP CFRTP Tensile

strength

(MPa) 4.3倍に向上６倍に向上

引張

強度

(MP

a)

引張

剛性

(GP

a)

PLA PLAJFRP CFRP CFRPJFRP

• 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

市販工業用3Dプリンターとの材料特性比較

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0 50 100 150 200 2500

5

10

15

20

25

30

Strength (MPa)

Young's modulus (G

Pa)

Continous fiber compositesSLASLS

FDM

Reinforced FDM

引張

剛性

(GP

a)

引張強度 (MPa)

熱溶解積層方式

光造形方式粉末焼結方式

連続炭素繊維方式

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

装置イメージ

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

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．

13連続繊維配向 応力分布解析結果 繊維含有率を考慮

新しい構造も自動製造可能

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• 自動アイソグリッド構造成形 • 応力集中緩和

• 層間はく離の防止• 曲げ加工

• サンドイッチ構造 • 剛性/強度テーラリング

製造工場

・デジタル設計情報・設計条件

情報センター

開発迅速化

フレキシブル生産

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．

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想定される用途用途

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

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

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

ハイアマチュア

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．

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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

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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

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産学連携の経歴

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• 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

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 03-5228-7440FAX 03-5228-7441E-mail ura@admin.tus.ac.jp

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