日本大学・技術懇親会「製造業のための加工・検査等技術の紹介」

講演 ② 14：30～15：10

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の3Dプリントによる次世代材料・モノづくり

上田政人（日本大学）
ueda.masahito@nihon-u.ac.jp

講演概要
航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用す
れば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3DプリンティングによるCFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

【コンテンツ】(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化（研究室で開発したCFRPの3Dプリンティング技術）

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）とは？
CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastic
炭素繊維強化プラスチック＝＋炭素繊維樹脂（プラスチック）

CFRP

50mm

髪の毛

炭素繊維
3

炭素繊維の特性• 金属材料の力学特性
鋼（SS400）
アルミニウム（A7075）

密度 [g/cm3]

ヤング率 [GPa]引張強度 [MPa]

7.8
2.7

21070

400
570

1.82945880• 炭素繊維の力学特性
炭素繊維（T800S）

炭素繊維は軽量かつ，ヤング率（剛性）と強度が高い．

なぜ繊維状なのか？
寸法を大きく作れないのか？

製造上の問題のため糸状でしか得られない．
4炭素繊維の力学特性を発揮させるための複合材料技術• 炭素繊維は細径であるため，柔軟で賦形性が高い．

50mm

繊維だけでは引張荷重以外は支持できない．
樹脂により，圧縮やせん断，曲げ荷重を支持できるようになる．
髪の毛

炭素繊維

成形後のFRPは軽量で強固
炭素繊維の織物（布）樹脂シート（熱可塑性）

・樹脂には熱可塑性と熱硬化性とが使える．熱可塑性樹脂：ナイロン，PPS，PEEKなど．
熱硬化性樹脂：エポキシ樹脂，ポリエステルなど．
5

CFRPにおける繊維の強化形態
・連続繊維（Continuous fiber）
切れ目のない長い繊維

連続繊維強化（異方性あり）

長繊維強化（異方性なし）

短繊維強化（異方性なし）

・長繊維（Long fiber）
短く切った繊維
・短繊維（Short fiber）
短く切った繊維・ミルドファイバー（Milled fiber）
粉末状繊維

どちらに引張っても同じ特性

6

CFRPにおける繊維の向きと力学特性との関係
荷重方向と繊維方向が一致

剛性低下率 Exx/E11 [-]炭素繊維の性能を最大限発揮

荷重方向に対して繊維が45º傾いている場合

70%ほど剛性低下

荷重方向に対して繊維が90º傾いている場合

90%以上剛性低下

繊維配向角 [度]連続炭素繊維を使う場合には，繊維の方向を適切に決めることが大切．
7

『CＦＲＰの簡単な作り方の例』
ハンドレイアップ8

ハンドレイアップによるCFRPブリッジ製作の手順
完成品

光学顕微鏡による断面観察

繊維と樹脂を別々に用意してCFRPを成形する．
【必要なもの】

材料 ・炭素繊維・エポキシ樹脂
脱泡ローラー
成形
ハンドレイアップ時に必要な道具．
・型（木材など）
・離型フィルム・脱泡ローラー
ダイヤモンドカッター（のこぎりでもよい）

離型フィルム9ハンドレイアップによるCFRPブリッジ製作の手順（１）炭素繊維布を所定の形に切り出す．

フランジ部

ウェブ

（２）炭素繊維布の積層及び樹脂の塗布（ハンドレイアップ作業）

積層風景

樹脂の硬化中（常温で1日）（錘を載せて，不要な樹脂をしみ出させている）

熱硬化樹脂の混合（主剤＋硬化剤）

10

ハンドレイアップによるCFRPブリッジ製作の手順（３）ポストキュア （樹脂を完全に硬化せるために昇温）

完成

電気炉内でポストキュア（４）脱型及びトリム作業

CFRPを用いれば軽量な構造部品が製作できるが，手間がかかっていた．また，材料コストも高い・・・『これらの課題も3Dプリントで解決』
トリム加工

11講演概要航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用す
れば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3DプリンティングによるCFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化

3Dプリントの方法－熱溶融フィラメント成形（FFF）の場合－
樹脂フィラメントまたは炭素繊維に樹脂を含浸させたフィラメントを3Dプリンタに供給して，ノズル部で加熱して樹脂を溶融させた状態でテーブルに吐出し，積層しながら3次元形状を造形．
ヘッドが左右上下に動いて3D形状を積層造形

樹脂フィラメント

3Dプリンタの外観（Ninjabot製Copain）
引用：http://ninjabot.jp/copain/

3Dプリンタのヘッド機構
13

FFF方式の3Dプリンティングの様子
フィラメントプリンタヘッド

ヒートシンク

加熱ブロック
ノズル

プリントしたフィラメント
14

3Dプリントに用いることができる材料【材料（フィラメント）の形態】
樹脂フィラメント

熱可塑性樹脂のみ

弾性率：1GPa程度
引張強度：50MPa程度

短繊維強化プラスチック
フィラメント

熱可塑性樹脂連続繊維強化プラスチック
フィラメント

熱可塑性樹脂粉末状炭素繊維

連続炭素繊維

弾性率：10GPa程度
引張強度：100MPa程度

弾性率：100GPa程度
引張強度：1000MPa程度

力学特性

低高異方性低高15

講演概要
航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用す
れば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，
CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3Dプリンティングによる CFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向「3Dプリント品の大型化」＆「3Dプリント品の高強度化」(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化

3Dプリント品の大型化
熱可塑性樹脂に短炭素繊維を入れることで熱収縮による反りを抑えられるため，大型部品の3Dプリントが可能になった．
3Dプリンタ＆トリム加工機．

引用：
https://www.abqjournal.com/1164891/head
way-on-wind-blades.html

12 m
4.6 m

引用：https://www.thermwood.com（ホームページに3Dプリントの様子などの動画があります）

引用：
https://en.wikipedia.org/wiki/
Strati_%28automobile%29

173Dプリント品の高強度化
熱可塑性樹脂に連続炭素繊維を入れることで，航空機スペックのCFRPの3Dプリントが可能になった（2014年）．
但し，“航空機スペック”とは連続繊維を用いたCFRPという意味で，その力学特性はまだ低いのが実情（引張強度で1000MPa程度．航空機用CFRPは3000MPa）．
熱可塑性フィラメント

連続炭素繊維プレヒーター“Carbon fiber”, “3D Printing” をキーワードとする論文の世界的出版数（Web of Science）

ドライブギアプリンターヘッド

繊維プレスローラー
ホットテーブル

連続炭素繊維複合材料

熱可塑性樹脂長い炭素繊維（連続炭素繊維）

連続繊維繊維強化プラスチックの3Dプリント(2014)Masaki Namiki, Masahito Ueda 他, 3D Printingof Continuous Fiber Reinforced Plastic,
SAMPE Seattle 2014, June 4, Seattle, USA.

連続繊維CFRPが3Dプリントできる世界で最も販売台数の多い3Dプリンタ（米国 Markforged製．約300万円～）
引用：https://markforged.com/jp/desktop-series18

講演概要
航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用す
れば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3Dプリンティングによる CFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化
・高性能CFRPを3Dプリントできる3Dコンパクションプリンタ
・プリントパス最適化による3DプリントCFRPの力学特性最大化
・高強度CFRPへの局所的柔軟性付与

連続繊維3Dプリントにおける課題－3DプリントCFRPが低強度化する原因－
3Dプリントでは溶融したフィラメントをテーブルに積層して造形．
【問題】
1. 固化した樹脂の上に溶融した樹脂を積層しても，樹脂同士がしっかりと接着されない（射出成型におけるウェルドライン）
2. 積層後にはフィラメント間にボイドが発生．
残留ボイド

接着不良

積層方向
Heater nozzle
CFRTP laminates
Printer bed
20

3Dプリント品の内部に生じるボイド
繊維方向（3Dプリント方向）

zxy

ボイド率10 %• 3Dプリント品に生じるボイドと接着不良とにより力学特性が低下．
• 3DプリントCFRPの力学特性向上のためには，ボイドの除去とフィラメント間接着強度の向上が必須⇒『3Dコンパクションプリント（3DCP）』により解決
21

CFRPの3Dコンパクションプリント
3Dプリント時にフィラメントおテーブルに押し付ける加熱加圧ローラをプリントヘッドに搭載
・3Dプリント時にボイドを押し出す効果
・3Dプリント時にフィラメントの接着力を高める効果

3Dコンパクションプリント（3DCP）
ヒーター
ローラー
CFRP
テーブル

K8200 (Velleman) was modified.

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Mechanical testing

従来方式3DプリントによるCFRPとの力学特性比較
フィラメント : CFF filament, Markforged, フィラメント径は0.4mm(連続炭素繊維強化ナイロンフィラメント)
3DP

3DCP

at quadruple speed

at quadruple speed

Print conditions
Nozzle temp. ：270 ºC
Table temp.
：100 ºC
Print speed：600 mm/min
Layer thickness ：0.08 mm
Hatch spacing ：1.4 mm
Path：G-codeNozzle temp. : 270 ºC
Table temp.
: Room temp (20 ºC)
Print speed：
Layer thickness ：0.125 mm
Hatch spacing ：1 mm
Path: Eiger software

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3D及び3DCPによるCFRPの内部ボイドの可視化
X線コンピュータ断層撮影による断面スライス画像

3DCP
繊維方向
テーブル側

3DP
テーブル側

243D及び3DCPによるCFRPの内部ボイド率
3DP

3DCP
繊維方向（3Dプリント方向）

繊維方向（3Dプリント方向）

zzxyx

ボイド率 3 %y

ボイド率 10 %X線コンピュータ断層撮影による3次元画像から，画像処理を用いてボイド率を計測．

3DCPにおける加熱加圧ローラーによりボイド率が軽減．
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Specimens & Testing methods

従来方式3DプリントによるCFRPとの力学特性比較
試験片形状及び3Dプリントパス

引張試験片

曲げ試験片

✓ ISO-527-5✓ 250×15×1mm✓ Testing machine(AG-IS150kN, Shimadzu）✓ ISO14125✓ 100×15×2mm✓ Testing machine （STA1150,ORIENTEC）

150 mm
45 mm

100 mm

90 mm
10 mm

Fiber directiont = 1 mm

3D printed tensile test specimen

15 mmFiber directiont = 2 mm3D printed bending test specimen26引張特性及び曲げ特性の比較（3DP VS 3DCP）

0.1 MPa, 230 ℃, 10 min.
Hot-press• 3DコンパクションプリントしたCFRP
は，3Dプリントした後にホットプレス加工したCFRPと同等の力学特性．

3DP specimen

Mold27

講演概要
航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用すれば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3Dプリンティングによる CFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化
・高性能CFRPを3Dプリントできる3Dコンパクションプリンタ
・プリントパス最適化による3DプリントCFRPの力学特性最大化
・高強度CFRPへの局所的柔軟性付与

構造最適化＆3Dプリント最適化計算

3Dプリント

金属・樹脂（等方性材料）・・・プリントパスは任意
連続繊維強化のCFRP・・・・・・3Dプリントにおいて繊維方向を荷重方向に揃える必要がある．
29

これまでのプリントパス生成方法• これまでの3Dプリント用のプリントパス生成ソフトでは，簡単なプリントパスしか生成できない．
• CFRPの力学特性を最大限に発揮させるためには，CFRPの繊維方向の異方性を考慮したプリントパス生成が必要不可欠．
30

CFRPの力学特性の異方性を考慮して力学特性を最大化するプリントパス生成方法
Optimization of material direction of orthotropic material
Experimental validation

3D print path generation based on the optimized result

31例題：部品の剛性を最大化する問題1min 𝐸 = න 𝜀: 𝐶 𝜃 𝑥 : 𝜀 𝑑𝑥
𝜃2𝑇Design domain

Ω𝑥𝑓Fibers
Stiff𝜃(𝑥)Homogenization

Print path width𝐶𝑖𝑗𝑘𝑙 (𝜃(𝑥))Compliant32

最適化アルゴリズム
最適化プロセス
Design variable:

Isoparametricprojected variable:

Filtered variable:

Stiffness tensor field:

Evaluate strain energy:

𝜑=𝜑𝑥
𝜑𝑦

𝜃 = 𝑁(𝜑)𝜑 ∈ −1, 1 2𝜃 ≤1

𝜗; −𝑅 2 ∇2 𝜗 + 𝜗 = 𝜃𝐶𝑖𝑗𝑘𝑙 (𝜗(𝑥))𝐸 = න 𝜀: 𝐶: 𝜀 𝑑𝑥ΩUpdated designvariables:

𝜑←𝜕𝐸
𝜕𝜑

33

大腿骨を3Dプリントする場合の最適化問題へ適用?
異方性を有するCFRPで3Dプリントする場合には，どのようなプリントパスで3Dプリントするのが良いか・・？
34

繊維配向（材料方向）の最適化結果?
この最適材料配向からどのように3Dプリントパスを生成すればよいか・・？

35

最適化した繊維配向に基づくフェーズフィールドの生成
Swift-Hohenberg 方程式

𝐷 = 𝜃⨂𝜃𝜕𝑢= − ∇2 + 𝑘 2 2 𝑢 + 𝜖𝑢2 − 𝑢3 − 2𝑞 2 ∇ ∙ 𝐷∇𝑢𝜕𝑡
Hiscock TW, Megason SG. Cell Syst. 2015 Dec 23;1(6):408-416.

Field of u

Field of u

𝜃等方性異方性あり36フェーズフィールドから3Dプリントパスの生成
最適化フェーズフィールドの高さ0の位置のみを画像処理で取り出せば3Dプリントパスとなる．

37

CFRPの異方性を考慮して剛性を最大化させる
3Dプリントパスの生成プロセス
Step 1 材料方向の最適化

Step 2 フェーズフィールドの生成 Step 3 フェーズフィールドからプリントパスの生成38

最適化3Dプリントパスに基づき実際に3Dプリント

39実験による有効性検証

V=1mm/min

t=6mm

同じ材料を用いて，プリントパス最適化により25%の剛性向上を達成．
40

講演概要
航空機構造に用いられる軽量かつ力学特性に優れる炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の 3D プリンティング技術が開発され，CFRP がより身近に利用できる材料になりつつあります．また，3Dプリント技術を応用すれば，CFRP 部品の更なる軽量化や高機能化も実現可能です．本講演では，
CFRPの3Dプリティングに関する世界動向を紹介した後，研究室で開発中の3Dプリンティングによる CFRP の更なる高性能化・高機能化について紹介します．

(1) 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）って何？
(2) 3Dプリントって何？
(3) CFRPの3Dプリンティングに関する世界動向(4) 3DプリンティングによるCFRPの高性能化と高機能化
・高性能CFRPを3Dプリントできる3Dコンパクションプリンタ
・プリントパス最適化による3DプリントCFRPの力学特性最大化
・高強度CFRPへの局所的柔軟性付与

機械構造における可動機構
航空機のフラップなど，高剛性部品を機械的ヒンジで接続して可動させる．
⇒ ヒンジ部で気流の乱れを生じて抗力が発生（燃費悪化）．

柔軟部品（機械ヒンジ）

高剛性部品

引用：ttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wing.slat.600pix.jpg#file42

構造の剛性テーラリング

高剛性＋柔軟構造

NASA
引用：Kryukov A.V, et al., 7TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS ANDSPACE SCIENCES
https://www.researchgate.net/publication/323512545_Using_of_wavy_morphing_
wing_for_flow_and_flight_control

構造部材内で連続的に剛性が変化して変形可能な構造 = モルフィング構造43

局所的に曲げ変形が可能な高剛性CFRP

繰り返し変形

３Dプリントにより実現可能44

柔軟部分の3Dプリント方法

In-phase

3Dプリントにより格子構造を採用
q = 30°Phase-shiftq = 45°

q = 60°電子顕微鏡による断面写真
45曲げ試験
3点曲げ試験
・ 100%充填構造
・ 局所可撓性構造

Maximum load at 10mm disp. [N]100

Load [N]80604020002468Displacement [mm]1012120

In-phase structure

100Phase-shift structure
8060402003045
Girder angle q [deg]60

曲げ剛性を最大で98%減少させることが可能．
→

高剛性なCFRPにおいても局所的に柔軟な部分を作ることができる．

46

まとめ• 世界的にCFRPの3Dプリンティング技術開発と産業応用が加速中．
大型化・・・大型部品を低コストで製作可能．
高強度化・・誰でも3DプリンタがあればCFRP部品を製造可能．
(1) 3Dコンパクションプリンタ・・高性能CFRPの3Dプリントを実現(2) CFRPの3Dプリントパス最適化
・・材料特性を最大限に生かす3Dプリントパスを実現(3)高強度CFRPへの局所的柔軟性付与
・・CFRPによる高剛性/高柔軟構造を実現

ueda.masahito@nihon-u.ac.jp 研究室HP：https://www.mech.cst.nihon-u.ac.jp/studies/ueda/