Category: 航空宇宙

はじめに

このチュートリアルでは、パターンを使用して金型を製作するプロセスを省略し、3Dプリントで直接金型を作成します。このチュートリアルは、より高度な技術を使ったプロセスや高温エポキシに必要な特別な機器を持たない人のための、簡便な炭素繊維プロセスです。

このチュートリアルでは、すでに境界モデル化されたFFFプリントを受け取り、それを離型剤でコーティングしてから、シンプルなハンドレイアップ成形で炭素繊維パーツを製作します。化粧品以外のパーツは、金型から直接使用することができますが、3Dプリント解像度とハンドレイアップ成形の制限により、表面が若干損なわれます。仕上げを完璧なものにするために、XCRコーティング樹脂を塗布し、高品質な仕上げのためにフラットにして研磨します。

マテリアル（材料素材）の相性

エポキシ樹脂との離型性に優れたPET-Gフィラメントを推奨します。ABSは、エポキシ樹脂との離型性が悪いため、金型の直接材料素材としては避けるべきです。

3Dプリント後は、離型剤を使って型を整える必要があります。このプロセスで最も信頼できる離型剤はPVA離型剤です。これは層の線を滑らかにすると同時に、エポキシ樹脂から確実に離型することができます。

このプロセスで得られた金型は、エポキシ・ポリエステルやビニールエステルなど、ほとんどの従来の樹脂システムで使用できます。一般的にこの方法で作られた金型は、ハンドレイアップ成型（バキュームバッグの有無にかかわらず）に最も適しています。また、樹脂注入（Resin Infusion）による加工も可能ですが、3Dプリントは一般的に100%の気密性を確保できないため、エンベロープバッグ法を使用する必要があるかもしれません。このプロセスで作られた金型は、プリプレグ（FRP材料）製造に使用されるような高温硬化には適していません。PETGのHDT（荷重たわみ温度, Heat Deflection Temperature)）を理論的に超えていなくても、真空バッグのストレスによって過度の反りや歪みが発生することがわかっています。

必要なマテリアル（材料素材）と装置

• 3Dプリントパーツ – このチュートリアルでは、数百種類の素材をすぐにプリント可能で、手頃な価格の3DプリンターであるUltimaker S5を使用しています。
• PETGフィラメント
• PVA離型剤 
• XC110 210g 2×2 プリプレグカーボンファイバー：今回は3プライを使用していますが、ドライコンポジットの補強材であれば何でも使用可能です。
• EL2 Laminating Epoxy: 湿式レイアップ（Wet-Lay-Up）用に特別に設計されたエポキシで、強度とウェットアウト性能に優れています。また、パーツ裏面はEconomy Peel-Plyで仕上げられており、きれいな内面を実現しています。
• XCRコーティング & NW1研磨コンパウンド（オプション） : 炭素繊維パーツの後処理に使用することで、最終製品の外観をより美しく仕上げることができます。

プロセス

１．プリント製作

金型を設計して3Dプリントし、レイアップに必要なフランジやエクステンションを追加します。直接プリントした金型には、離型性に優れたPET-Gを使用することをお勧めします。より高い解像度でプリントすることで、離型が容易な滑らかな型の表面が得られます。今回は、CURA Slicerの「標準」設定で、0.15mmのレイヤー高さで印刷しました。可能であれば、パーツのリリース方向と平行にレイヤーが印刷されるようにパーツを配置すると、印刷面による機械的なロックを減らすことができます。ただし、ドラフト角が5度以上であれば、レイヤーラインがリリース方向に対して垂直であっても、良好なリリースを得ることができます。

２．離型剤の塗布

PET-Gはエポキシ樹脂のような離型性を持っていますが、金型からパーツを確実に離すためには離型剤が必要です。このプロセスでは、非常に早く確実に離型できるPVA離型剤をお勧めします。PVAは、金型表面に均一なフィルムをワイプ（布）やブラシで一度に塗布します。このコーティングは自由に塗布していただいて構いませんが、流れを起こすほど塗ってはいけません。塗布後にPVA離型剤は室温で乾燥させる必要がありますが、通常は30分ほどかかります。

３．パーツの貼り合わせ

今回は、ラミネートレジン「EL2」を使用しています。レジンと硬化剤は正確に完全に混合してください。最初の容器から2つ目の容器に注ぎ、混ざりきらい部分がないように再度混ぜるのがベストです。

カーボンを敷き詰める前に、金型にレジン膜を張っておきます。手作業でラミネートする場合は、可能な限りレジン上にカーボンを敷き、下から樹脂で生地を濡らすようにします。こうすることで、適切な湿り気が得られ、エア混入を減らすことができます。小さな複雑なパーツにはラミネートブラシが必要ですが、大きなパーツや平らな成形品には、ローラーやスキージを使うと濡れ出しがスムーズです。湿式レイアップ（Wet-Lay-Up）では、通常、繊維とレジンの割合が1:1になるようにします。つまり、100gの繊維に対して約100gのレジンを使用します。

厚さ3mm以下のパーツであれば、通常は1回の作業ですべての層を積層することが可能です。厚みのあるパーツの場合は、収縮の影響や熱暴走（発熱）の可能性を減らすために、複数の層に分けて積層する必要があります。

今回は、補強材を敷設した後、最終プライとしてピールプライを重ねることで、パーツ内側をきれいに仕上げ、後続の接着作業に適した表面を提供しています。ピールプライを積層した後、パーツを常温で硬化します。硬化時間は、硬化剤の速度や室温によって異なりますが、通常は12～48時間となります。

注意：混合したEL2レジンを混合用カップ底に5mm以上残したままにしないでください。熱暴走して危険な状態になる可能性があります。余ったレジンはトレイに流して表面積を増やしたり、熱した場合には容器を屋外の安全な場所に移動させたりする必要があります。

４．仕上げ

脱型後、パーツの角部がきれいになるようにトリミングして仕上げます。今回は、32mmのパーマグリット・カットオフホイールを装着したDREMELの工具を使用しました。この工具は万能トリミングツールで、何時間も連続して使用できます。研磨ブロックで角部を調整し、#240ペーパーで仕上げました。XCRコーティングの仕上がりに満足している場合は、そのまま使用することもできますが、一般的には研磨を行うことで、より一貫したプロフェッショナルな仕上がりになります。

５．コーティング処理のための表面の準備

ピンホールやプリント層の線が出さずにきれいに仕上げるために、パーツにレジンやクリアコートを塗ります。良いコーティング面を作るために、表面を#400の耐水とドライのサンドペーパーで研磨して、パーツを準備します。

パーツに空洞や大きなピンホールがある場合は、レジンで埋めます。大きな空洞の場合は、フラッシュリリーステープでダムを作り、レジンが流れ出さないようにしてから、EL2ラミネートレジンまたはXCRコーティングレジンを使用して充填します。補修後は硬化させ、400番台のサンドペーパーで平らに戻し、パーツの表面と水平になるようにします。

６．XCRコーティングレジンでのコーティング

パーツ修正とサンディング研磨が終わったら、次は滑らかな光沢と耐久性のある仕上げのためのコーティングを行います。自動車用のクリアコートスプレーを使用することもできますが、今回は、非常に耐久性のある仕上がりになり、ブラシで簡単に塗ることができるXCRコーティングレジンを使用します。

パーツにXCRエポキシコーティングレジンを塗布します。通常、1回の塗布で1平方メートルあたり約300グラムです。混合用カップやブラシなどの無駄を考慮して、必要な量よりも多めに混ぜるようにしてください。硬化剤は、100：35の正確な比率でレジンに加える必要があり、小ロットの場合は可能な限り正確に行います（10分の1グラム以内の精度が望ましい）。1つのカップでレジンを混合した後、2つ目のカップに移して再度混合し、混合されていないレジンが滞留しないようにします。

ブラシを使って表面に薄く均一に塗ります。塗りすぎてしまうと、塗膜が流れてしまうので注意が必要です。塗布後、数分後に流れがないか確認し、余分なレジンをブラシで取り除きます。

表面の凹凸をカバーできていない場合など、1回目の塗装の仕上がり具合によって、2回目の塗装が必要になります。2回目の塗装は、1回目の塗装がBステージに達した時点で行います。Bステージは、手袋をはめた指でプリントに触れることで確認できます。粘着性があり、残留物がない状態で、XCRでは通常3時間程度ですが、室温によって異なる場合があります。2回目の塗布後は、気温にもよりますが、約12～24時間放置してレジンを完全に硬化させてください。

注意：混合したXCRレジンを混合用カップ底に5mm以上残したままにしないでください。熱暴走して危険な状態になる可能性があります。余ったレジンはトレイに流して表面積を増やしたり、熱した場合には容器を屋外の安全な場所に移動させたりする必要があります。

７．研磨（サンディング／ポリッシング）

XCRコーティングの仕上がりに満足している場合は、そのまま使用することもできますが、一般的には研磨を行うことで、より一貫したプロフェッショナルな仕上がりを得ることができます。

サンディング研磨のプロセスは、表面を素早く平らにするために使用できる粗いペーパーから始める必要があります。一般的には、＃400や＃800の耐水とドライペーパーで行います。ペーパーの目詰まりを防ぐために、この作業は濡れた状態で行うのが最適です。そして、最低でも＃1200までのペーパーで作業を行います。平らな部分や単一の曲面にはサンディングブロックを使用して、均一で平らな面を維持し、残りの曲面には沿ったペーパーを使用することができます。より細かいグレードの研磨剤に変更する際は、必ずパターンを洗浄して前のグレードの砥粒による傷を防ぐために水を交換してください。

1200番（またはそれ以上）の研磨剤を使った後、NW1研磨剤を使って最終的な研磨を続けます。よほど小さな部品でない限り、この作業は研磨機のフォームパッドで行うのがベストです。

多くのコンパウンドと異なり、「NW1」は水を必要とせず、すぐに乾いてしまうこともありません。このコンパウンドは、使えば使うほど細かくなる自己消化性を持っています。1回の作業で鏡面に仕上げることができます。バフで磨いた後、マイクロファイバークロスでコンパウンドの残りを拭き取ると、完成したパターンは鏡のような光沢になります。

８．最終的な完成パーツ