カーボンファイバー対応の3Dプリンター・最高の強度と精度を実現

カーボンファイバー対応の3Dプリンターは、これまでの3Dプリンターでは考えられなかった最高の強度での造形を可能にしています。元々が軽く、丈夫な素材であるカーボンファイバーですが、成型にコストがかかることが難点でした。この記事では、軽量で剛性もひじょうに高いカーボンファイバー素材で立体成型が可能な3Dプリンターについてご紹介します。

カーボンファイバー対応で3Dプリンターの常識は変わる

3Dプリンター

カーボンファイバー対応の3Dプリンターとは

カーボンファイバー対応の3Dプリンターは、これまでの3Dプリンターでは考えられなかった最高の強度での造形を可能にしています。
3Dプリンターは、テクノロジーの進歩により、一般家庭でも使用できるような3Dプリンターでの金属成型が可能になる日も近づいています。しかし、その金属よりも強度の高いカーボンファイバーにて造形が可能な3Dプリンターは、まさしく3Dプリンター業界のゲームチェンジャーになる可能性を秘めています。

カーボンファイバー対応で3Dプリンターの常識は変わる

カーボンファイバーを造形に利用できるようになったことで、3Dプリンターの常識は変わります。これまでにはない強度を持ち、美しい仕上げが可能になったことで、プロトタイプの製作もより精密となり、実用にもびくともしない高強度の最終製品の製造も当たり前になります。

カーボンファイバーについて

カーボンファイバーは、軽く、熱に強く、強度が高く、さらに剛性も高い炭素繊維のことです。カーボンファイバーは、炭素繊維という呼称からもわかるとおり繊維が織り込まれているため強度を出せるようになっています。しかし、樹脂製品としてのカーボンファイバーは、意外に作ることが大変。鉄の1/4程度の重さしかない割に、10倍の強度があり、釣り竿やゴルフクラブ、テニスのラケットなどに使用されているカーボンファイバー。ただ、カーボンファイバーはかんたんには加工ができないため、もの作りにおいてはコストパフォーマンスが課題だったのです。この課題を、3Dプリンターとしては破格の値段で実現したのがMarkforgedというメーカーの「Mark Two」という製品なのですが、この製品の特徴については後ほどご紹介します。
とここまでカーボンファイバーの特徴についてご紹介したのですが、カーボンファイバーを3Dプリンターで使用する場合は、造形物の繊維材料として「炭素繊維」「ファイバーグラス」「高耐熱ファイバーグラス」「ケブラー」と併せて使用し驚きの強度を引き出します。
一般的な3Dプリンターのデメリットとして、精度やスピード、そして強度が挙げられますが、カーボンファイバーが3Dプリンターで扱えるとなれば、少なくとも強度に関してはデメリットを克服できることになります。

驚きの強度

実際にカーボンファイバー対応のプリンターで出力された物体は、カーボン繊維をそのまま造形するため、本当に「驚きの強度」を持っています。その強度はABSの23倍と言いますから、重量と強度の比率からするとアルミニウムよりも高いことになります。この強度ですから、当たり前のように最終製品の材料として使えるのです。

美しい表面仕上げ

3Dプリンターで出力された物体の表面は、積層の痕もほとんどわからないほど精密に仕上げられます。このまま磨きなどの加工を行わなくても市場に出せるほどに美しい表面仕上げが可能です。

カーボンファイバー対応プリンターMarkforged

Markforgedは、MIT出身のエンジニアであるグレック・マークさんが立ち上げた会社で、世界で初めてカーボンファイバー造形を可能にした3Dプリンターを開発しました。Markforgedは2017年、チタンなどの金属造形ができる3Dプリンターも世に送り出しており、新しいソフトウェアや素材の開発にも力を入れている、業界のトップランナーとして知られています。
Markforgedが世に送り出しているカーボンファイバー造形3Dプリンターは「Mark Two」と「X7」の2機種。加工難易度の高いカーボンファイバーを内部に使い、表面加工にOnyxとナイロンを使うことで、強度の高さと表面の美しさを実現しています。

Mark Two

Markforgedの「Mark Two」は、世界で初めてのカーボンファイバー対応3Dプリンターとして誕生しました。軽く、抜群の強度を持ちながらも加工が難しいカーボンファイバーを、立体成型、しかも3Dプリンターで可能にしたことは、このMark Twoの金字塔と言っても良いでしょう。
Mark Twoの積層ピッチは100マイクロメートル。造形面積は320mm×132mm×154mmというコンパクトな3Dプリンターです。この大きさの3Dプリンターから生まれる造形物が、航空宇宙業界でも使用できる強度のパーツを生み出す能力を持っているのです。
Mark Twoはデュアルノズル方式。Mark Twoでの造形は、材料を組み合わせて行います。一つのノズルはカーボンファイバーなどの繊維材料用で、この材料で立体の内部を構成し、もう一つのノズルが表面を覆うOnyxとナイロン用になります。この組み合わせが強度と表面加工の美しさを実現するのです。
3Dデータの設計は3D CADで行い、専用のソフトウェアで出力の設定を行います。材料については、このソフトウェアからセレクトすることが可能です。この3Dプリントソフトウェアは、Mark Twoを支える屋台骨のようなもので、Mark Twoと同等に大切なものです。3Dデータのインポートとスライスを、ブラウザ上からシンプル操作で行うことが可能です。
出力された造形物は、すでに航空関連パーツと同等の強度と軽さを実現しています。高い剛性が必要とされる治具や自動車部品にそのまま使用可能です。これまでは、治具のような高剛性、高耐久性を必要とする製品の生産には、コストと時間をかけることが当たり前でしたが、Mark Twoを導入すれば、それらを大幅に削減することができます。

X7

MarkforgedのX7は、高強度、高精度、そして美しさを「大型造形」で実現するカーボンファイバー対応の3Dプリンターです。造形面積330mm×250mm×200mm、積層ピッチ50マイクロメートルという大型、高性能機種は、ロボット産業などで使用可能な造形物を出力可能です。
レーザーセンサーを搭載したX7は、1マイクロメートルという超高精度でスキャンすることができます。造形している最中にこの精度でスキャンをすることで、作業精度を確保しています。
Mark Twoよりも大型、そして高性能のカーボンファイバー対応プリンターであるX7を使えば、ご紹介した治具やロボット産業用の他にも、複雑な溶接器具なども従来よりコストや時間をかけずに手に入れることが可能になります。

驚きの強さ!カーボンファイバー対応の3Dプリンター

3Dプリンター

3Dプリンターは、以前からビジネスの世界では利用されていましたが、我々の近くに現れるようになったのは21世紀に入ってから。2010年代に入ると、3Dプリンターのブームが到来し、家庭用のものも販売されるなど、多くの人々が「夢」を見ました。しかし、現実の家庭用3Dプリンターは、多くの人々の期待とはかけ離れた代物であり、これが3Dプリンターブーム終焉の引き金、もしくはその一部となってしまったことは確かです。
しかし、3Dプリンターの技術開発は、その歩みを止めていませんでした。カーボンファイバーは軽く、強固な素材ではありましたが、その加工には大きなハードルがありました。しかし、その立体造形を3Dプリンターが可能にしたのです。これによりもの作りの世界に新しい風が吹き込んだことは間違いありません。3Dプリンターを含む3Dの技術は、他のイノベーションと融合することで、まだまだ発展する可能性を秘めています。