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ブログ Markforgedブログより:複合素材について

以前のブログ記事で、我々は最も人気の高い3Dプリンター熱可塑性樹脂の主な違いをブレイクダウンしました。
低い融解温度および一般的に簡単な部品は、迅速かつ容易に造形しますが、熱可塑性樹脂は、強度、剛性、耐熱性のような機械的特性に関しては不十分な点があります。
幸いにも、溶融フィラメント製造(最も人気のある熱可塑性造形プロセス)に似た技術を利用して、Markforgedは熱可塑性プラスチックの特性をほぼすべての点で上回る3D造形複合材料を開発しました。
 
コンポジット(複合材料)とは
複合材料は、組み合わせると元の成分とは異なる特性を持つ2つ以上の物質から作られる材料です。
それらは2つの主な要素から成り立っています:マトリックス(基盤)と補強材。
典型的な繊維複合材料では、補強材(例えば、カーボンファイバーまたはファイバーグラス)をより良い形状に成形し、次いでその構造を保持するためにマトリックス、多くの場合エポキシまたは熱可塑性物質で覆います。
複合材料は、材料の組み合わせから相乗効果が生じ、低密度を維持しながら熱可塑性樹脂よりはるかに優れています。実際、多くの炭素繊維は、1/10の重量で鋼鉄よりも強度があります。

一般的な複合材は、繊維織物が配置され、次いでマトリックスによって固定される。
さまざまな複合材料を構成するさまざまな種類のマトリックスと補強材があります。
この記事では、特にMarkforgedの3Dプリント複合材料、それらの特性と理想的なアプリケーションについて説明します。
 
3Dプリント複合材

Markforgedの3Dプリント複合材は、他の複合材部品と同様に、マトリックスと鉄筋という2つのコンポーネントで構成されています。私たちのマトリックスは、ナイロンベースの熱可塑性物質であるONYXと呼ばれています、そして4種類の長繊維の補強材があります。これらの補強材には、カーボン、ファイバーグラス、高強度高温ガラス繊維、ケブラーがあります。

複合部品は、CFFと呼ばれるプロセスを使用して、層ごとに印刷されます。
この部品は、内部の繊維強化材を示すために半分に切った状態です

ファイバーグラス
エントリーレベルの強化繊維です。
その名前が示すように、それは一緒にフィラメントに束ねられたガラス繊維から成ります。
ガラス繊維は、安価でありながら高性能であるため、優れた初心者向け強化繊維です。
たわみでは、グラスファイバーはABSの4倍の強度と11倍の剛性があります。これは、熱可塑性樹脂が提供することができるであろう以上の強度を必要とする3D印刷工業用具、備品、および工作物保持を始めるための効果的な方法を提供します。

カーボンファイバー
カーボンファイバーは、Markforgedの強化繊維の中で最も強く最も硬い繊維です。
6061アルミニウムの約2倍の強度対重量比を持つ3Dプリントカーボンファイバー部品は、金属で機械加工されたものより秀でています。カーボンファイバーは、応力を受けたときに最小にたわみ、それがアルミニウムの上にそれが負荷されるにつれて塑性変形します。カーボンファイバーの強度は金属に匹敵するので、顧客は通常の機械加工する部品を造形するために使用する場合もあります。ソフトジョーや最終用途部品、製造成形工具など。

ケブラー
ケブラーは、独自の品質を備えた特殊な強化繊維で耐久性があるため、
ケブラーで補強された部品は打撃を受けても大丈夫です。
Markforgedの強化繊維の中で最も軽く、他のものと比べて密度が15-20%低い素材です。
ケブラーの大きなの特徴の一つとしては、強度を保ったまま変形する能力です。
ケブラーの部品は最大の負荷をかけた時に、より緩やかに劣化していきます。
例えば、カーボンファイバーは、固さはあるが、はるかに脆く、最大限に負荷をかけても完全には故障せず、警告も出されない。その一方で、ケブラーは、繊維が一度に1つずつ破損し始めるまで変形します。

その低い密度と優れた耐久性のために、ケブラーは多くの動きと他の部品との繰り返しの接触を含むアプリケーションのための素晴らしい候補です。当社の顧客は、3Dプリントエンドエフェクタ、衝突試験用ダミー装置、機械式停止装置、その他の可変荷重を伴う用途にこれを使用しています。

HSHTグラスファイバー
HSHTグラスファイバーは、もう1つの特殊な補強材です。
名前が示すように、耐熱性、高強度のグラスファイバーです。
それは華氏300度までの温度でも剛性を保持します。
HSHTはまた、信じられないほどの耐衝撃性を示します:ABSの30倍そしてPLAのそれの100倍以上。
さらに、HSHTグラスファイバーは、最も弾性のある繊維です。
荷重がかかるとそれはたわみ、荷重が取り除かれると元の形状に戻ります。
これは、永久的な変形なしに繰り返したわみを必要とする部品にとって有利な特性である。

上記の特性は、HSHTが特定の製造工程の繰り返しの締付けおよび熱衝撃の間の塑性変形に抵抗するのに役立ちます。当社の顧客は、HSHTを3D造形用溶接固定具、熱成形型、熱硬化型、射出成形型インサート、ブロー成形型、および他の耐衝撃性、高温用途向けの部品に利用しています。

応力ひずみ曲線は、Markforgedの強化繊維の強度と剛性の特性を示しています。

コンポジット3Dプリント
コンポジット3Dプリンティングは、デザイナーや設計者に、製造サイクル全体にわたる用途のために多様な材料特性を活用する能力を与えます。この記事で取り上げた4種類の繊維が示す特殊な特性により、これまでにないアディティブマニュファクチャリングを適用する機会が生まれます。

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