3D プリンティングとレーザー加熱を複合した炭素繊維強化プラスチック部材の製造
東京工業大学 工学院機械系
助教 中川 佑貴（2019 年度 奨励研究助成(若手研究者枠) AF-2019230-C2）
キーワード：3D プリンティング，レーザー加熱，炭素繊維強化プラスチック

１．研究の目的と背景

２．CFRP のレーザー援用 3D プリンティング方法

溶融積層造形法の 3D プリンターは，ステレオリソグラ

図 1 に開発した CFRP のレーザー援用 3D プリンティング

フィやセレクティブレーザーシンタリング方式の 3D プリ方法を示す．積層されたプラスチックの上に炭素繊維を置ンターと比較してかなり低価格であることから，広く普及きその上にプラスチックを積層する．そこにレーザーを照している．溶融積層造形法の 3D プリンターでは，素材と射することで，プラスチックを透過したレーザーが内部のなるプラスチックフィラメントをヒーターで溶かしなが繊維を加熱し周囲のプラスチックと接合する．

ら押出し，加熱されたプラットフォーム上に積層していくことで，複雑な形状を金型なしで製造することが出来る．
最近では民生用の 3D プリンターにおいてもエンジニアリングプラスチックスの製造が可能となっており，より高強度な部品が手軽に製造できるようになる．しかしながら積層体であるため，内部の空隙や層間の強度の低さから，射出成型品と比べると強度は低くなる 1)．3D プリンティン
グの条件が強度に及ぼす影響は引用 2)3)が調査している．

図1

開発した CFRP のレーザー援用 3D プリンティング

高比強度なプラスチック部材として自動車や航空機な方法

どに炭素繊維強化プラスチック(CFRP)が多く使われている．より強度の高い熱硬化性プラスチックを用いた CFRP

既存の 3D プリンターと本開発手法の比較を図 2 に示す．

は主に航空機に，生産性の高い熱可塑性プラスチックを用

炭素繊維の配向，量および位置が自由に設定できることがいた CFRP は自動車に用いられることが多い．炭素繊維強最大のメリットである．本研究では手作業によって繊維を化熱可塑性プラスチック(CFRTP)のプレス成形では，繊維配置したが工業化においてはロボットハンドを用いるこの織物とプラスチックのシートを交互に重ねるか，あらかとが考えられる．

じめプラスチックが含浸した繊維のシートを重ねて，それノズルの移動方向= 繊維方向
ビード間に繊維なしらを予加熱した後，加熱された金型によって成形を行い，金型内に冷却水を流して金型内でプラスチックを硬化させる．ただし炭素繊維がほとんど伸びないことから形状自由度が低くなるのが問題である．
CFRTP で複雑な形状を製造できる 3D プリンターが市販されている．溶けたプラスチックと共に炭素繊維フィラメ

配向，量，場所が自由樹脂

樹脂(a) 同時押出し法

繊維(b) 挟み込み法

図 2 既存の 3D プリンターと本開発手法の比較

ントを押出す方式，あるいは溶けたプラスチックと別なノズルから繊維フィラメントを押出す方式が一般的である．
プレス成形品と比較すると強度は低いが，高強度かつ複雑形状部材が製造できる一方，装置の制御が複雑でありプラ

３．実験条件と 3D プリンティングされたプラスチッ
クの光学特性
3.1

3D プリンティング条件

スチックのみの部材の造形のための工業用 3D プリンター

本実験で用いた試験片の 3D プリンティング条件を図 3と比較して装置コストは 5～6 倍程度高くなる．また繊維に示す．直径 1.75mm の PLA フィラメントを直径 0.4mm のが配置される位置や方向は押出されるプラスチックの方加熱されたノズルから押出し，一層あたりの厚さ t=0.2～向と一致するため，所望の補強効果を得ることが難しい 4)．

0.4mm で積層した．色は透明，青，灰，黒の 4 色であり，

本研究ではプラスチックの 3D プリンティングとレーザ

それぞれ図 4 に示す 445nm に対する透過率を持つ．また炭ー加熱を複合した CFRP 部材の製造方法を開発し，手軽か素繊維の束は厚みが 0.1mm 以下であり，透過率はほぼ 0つテーラード部品を製造することを目的とした．

であった．

４．レーザー加熱結果
PLAフィラメント
直径: 1.75 mm

4.1 プラスチックの色およびレーザー走査速度の影響
炭素繊維を挟み込んだプラスチック板の加熱結果を図6 に示す．プラスチックと繊維が接合されたものを○，接ヒーター合されたが穴などの欠陥が現れたものを△，接合されなか一層当たりの厚さ,t = 0.2, 0.3, 0.4 mm

ったものを×で示した．透明および青のように透過率の高ノズル直径: 0.4 mm
温度: 210 ºC

いものは欠陥なく接合できる条件があったが，灰および黒は接合できるものの図 7 に示すように表面に穴やくぼみ

プラットフォーム温度: 60 ºCが生じた．また走査速度が大きすぎると加熱が不十分であり接合できなかった．
図3

試験片の 3D プリンティング条件

透過率 [%]

20

図43.2

透明

接合可

青15

青10

透明

接合不可

灰黒5

レーザー波長
炭素繊維
灰0400

450

500
波長[nm]

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 15 20 30
レーザー走査速度 v [mm/s]

黒550

穴，くぼみ発生600

図6

炭素繊維を挟み込んだプラスチック板の加熱結果レーザー波長周囲におけるプラスチックの透過率
レーザー加熱実験条件

初めに接合の可否を判断するため，2 枚の薄いプラスチック板を 3D プリンティングし，炭素繊維を挟んで上からレーザーを照射した．挟みこまれた炭素繊維のレーザー加熱試験条件を図 5 に示す．レーザーは出力 3.6W の青色半導体レーザーを用いた．レーザーも 3D プリンター同様に低価格化が進んでいる．図 5(b)の経路を速度 v=2～30mm/s

図7

レーザー加熱後のプラスチック表面で走査させた．また熱の集中を防ぐためにフォーカス位置から 15mm デフォーカスした．温度は赤外線サーモカメラ

t=0.3mm におけるレーザー加熱終了直後のプラスチッで測定した．各色のプラスチックの輻射率を表 1 に示す．

ク表面温度とレーザー走査速度との関係を図 8 に示す．図1.02.0

また黒は他の色よりも温度が高いが，灰は欠陥なく接合できた透明および青と同程度の温度だった．

繊維樹脂(a) レーザー加熱条件

2030(b) レーザー走査経路

図5

レーザー加熱終了直の樹脂表面温度 [ºC]

走査経路0.56 より，表面温度が 100ºC を超えた際に接合できている．

100.33+15

レーザー:445nm, 3.6W

挟みこまれた炭素繊維のレーザー加熱試験条件

表 1 3D プリンティングされたプラスチックの輻射率
プラスチック色
輻射率
図8160140120
100806040200

黒透明
灰青

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
レーザー走査速度 v [mm/s]

t=0.3mm におけるレーザー加熱終了直後の

透明

0.30

青0.80

灰0.50

挟みこまれた繊維がレーザー加熱に及ぼす影響を調査

黒0.85

するために，繊維を挟みこんでいないプラスチック板を加ラスチック表面温度とレーザー走査速度との関係熱した．レーザー加熱終了直後のプラスチック表面温度に及ぼす繊維有無の影響を図 9 に示す．透明と青は繊維がな

いと温度の上昇が限定的であるが，灰と黒は繊維なしでも5. レーザー加熱された CFRP 部品の強度5.1

図 7 に示すように欠陥が生じた．

引張試験片の製造条件を図 12 に示す．t=0.3mm の 2 層

図9構造であり，間に約 9000 本の炭素繊維を挟み込んだ．レ160140120100806040200ーザー走査速度は v=2～6mm/s とした．引張速度 10mm/min

走査経路

透明

青灰(a) 繊維なし

70130150

黒図 125.2

引張試験片の製造条件

引張試験結果引張試験より得られた荷重変位曲線および公称引張強度を図 13 に示す．試験は各 3 回行い，荷重変位曲線は代表的なものを記載している．繊維なしと比較して，レーザー加熱されたものは強度が 2 倍強となった．また繊維を挟
透明

青灰(b) 繊維あり

黒み込み，加熱しなかったものは 1.5 倍程度となった．

レーザー加熱終了直後のプラスチック表面温度に及ぼす繊維有無の影響
厚さの影響

500400レーザー加熱30020000.5示す．接合のためには板厚が大きくなるほど走査速度を遅0.5

接合可

公称引張強度 [MPa]透明樹脂1層あたりの厚さ t [mm]くする必要があった．
接合不可

0.40.30.20.101.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
レーザー走査速度 v [mm/s]

透明における接合の可否に及ぼす板厚の影響

図 1380706050403020100

加熱なし

繊維なし

100

透明における接合の可否に及ぼす板厚の影響を図 10 に

図 102.510で試験片が破断に至るまで試験を行った．

1601401201008060402004.2

引張試験条件

引張荷重 [N]レーザー加熱終了直の樹脂表面温度 [ºC]

レーザー加熱終了直の樹脂表面温度 [ºC]

プラスチックそのものが加熱されるため，表面が発熱し，

1.01.52.0
ストローク [mm](a) 荷重変位曲線

2.5繊維なし 加熱なし レーザー加熱(b) 公称引張強度

引張試験より得られた(a)荷重変位曲線および(b)公称引張強度

引張試験によって破断した引張試験片を図 14 に示す．に示す．板厚が大きくなるほど温度は低くなっており，3.1加熱なしではプラスチックと繊維の接合が不十分であり節同様に，100ºC 以上の表面温度において接合されていた．

ほとんどの繊維が層間からすり抜けたが，加熱によって接レーザー加熱終了直後
樹脂表面最高温度 [ºC]

透明におけるレーザー加熱終了直後の表面温度を図 11

160140120
100806040200

合され強度向上に寄与した．
t = 0.2 mm

0.4 mm

0.3 mm

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
レーザー走査速度 v [mm/s]

図 11

透明におけるレーザー加熱終了直後の表面温度

図 14

引張試験によって破断した引張試験片

片も初めの荷重低下でクラックが発生し，2 度目の荷重低す．4 章における接合試験では v=5mm/s 以上でも接合は出下で部品が分離した．長手方向に繊維を配置した部品は大来ていたが，一部不十分であり強度向上は限定的であった．

きな荷重低下が早く発生した．一方直交方向に配置した部

引張強度 [MPa]引張強度に及ぼすレーザー走査速度の影響を図 15 に示品は最大荷重が 1.2 倍程度高かった．

8070605040302010

レーザー加熱加熱なし
繊維なし

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
レーザー走査速度 v [mm/s]0
図 15

引張強度に及ぼすレーザー走査速度の影響

6．炭素繊維によって部分強化されたテーラード
部品の 3D プリンティング

図 18

曲げ荷重ストローク線図

テーラード部品の破壊挙動を図 19 に示す．繊維なしは閉断面の突起にクラックが入り，その後側壁が破壊する．

図 16 に示す閉断面を持つ複雑形状テーラード CFRP 部品

直交方向の繊維はこの突起のクラック発生を抑制したたの 3D プリンティングを行いその強度を評価した．この形め強度が向上した．一方長手方向の繊維はむしろ欠陥とな状は自動車のバンパービームを模した形状であり，通常プりクラックの発生を促進した．このように部品の機能に合レス製品を溶接して作られることから，板厚分布を持たせわせた繊維配置は重要な技術である．

ることが難しい．3D プリンティングであればこのような形状も容易に製造することができる．約 9000 本の炭素繊維を図 16 に示す位置に部分的に挟み込んだ．配向も自由に設定できる事から，長手方向および直交方向にそれぞれ炭素繊維

10走査経路5挟み込み，v=3mm/s でレーザー加熱した．

251.570º100(b) 長手方向

13151.01.51010.5

繊維走査経路5 10 518

繊維5(a) 断面1020202020(c) 直交方向

図 16閉断面を持つ複雑形状テーラード CFRP 部品
図 19テーラード部品の破壊挙動

テーラード部品の曲げ試験方法を図 17 に示す．閉断面の突起が下向きになるように設置し，10mm/min で部品が7．結論分離するまで試験を行った．

本研究では炭素繊維強化プラスチック部品の形状自由R5度向上およびテーラード特性の付与のために，3D プリン

10 mm/minティングとレーザー加熱を複合したプロセスを開発した．
得られた知見を以下に示す．

CFRP parts

１）炭素繊維をプラスチック層間に挟み込み，レーザー加R260100
図 17R2

テーラード部品の曲げ試験方法

熱を行った．レーザーを透過するプラスチック色において表面に欠陥なく接合できた．
２）CFRP のレーザー加熱によって 3D プリンティングされたプラスチック試験片の引張強度は 2 倍程度向上した．

曲げ荷重ストローク線図を図 18 に示す．いずれの試験

３）複雑形状かつ炭素繊維を自由に配置したテーラード

CFRP 部品を製造し，繊維配向をコントロールすることで参考文献強度を向上させた．
以 上 本 研 究 の 成 果 は 国 際 論 文 「 Journal of
Manufacturing Processes 」 誌 に 「 Laser-assisted 3D
printing of carbon fibre reinforced plastic parts」というタイトルで掲載された．

1） Kumar S, Kruth JP: Materials & Design 31-2 (2010),850–856.
2） Sood AK, Ohdar AK, Mahapatra SS: Materials &Design 31 (2009), 287–295.
3） Dawoud

M,TahaI,Ebeid

SJ:

Journalof

謝 辞

Manufacturing Processes 21 (2016), 39–45.

本研究の遂行に当たり，東京工業大学工学院吉野雅彦教

4） Hou Z, Tian X, Zhang J, Li D: Composite Structures

授および豊橋技術科学大学森謙一郎名誉教授にご尽力頂いた．ここに謝意を表する．

184 (2018), 1005–1010.