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ケブラーとカーボンファイバーの違いについて


こんにちは!

Markforgedの3Dプリンターではケブラーもカーボンファイバーも素材として使用ができますが、この2つの特性の違いをご存じでしょうか?

ケブラー

ケブラーという名前を聞くとほとんどの人は、防弾チョッキを思い浮かべると思います。

この素材は1964年にポーランド系アメリカ人の化学者Stephanie Kwolekによってよって開発されました。

  • 車や自転車のタイヤ
  • おもり用プレート
  • 帆とロープ
  • 手袋、靴下、荷物 
  • ワークブーツ 
  • ブレーキパッド
  • 保護具
  • シーラント 

ケブラーは合成繊維

ケブラーは、アラミド繊維のグループに属する合成繊維で、耐熱性があります。ケブラーとノーメックスはこのグループの一部です。

合成繊維は、生物由来の天然繊維とは対照的に、化学合成により合成された繊維です。

合成繊維は、紡糸口金を通して繊維形成材料を押し出し、繊維を形成することによって作成されます。

ケブラーには、主に光ファイバー、繊維加工、ロープ、ケーブル、航空宇宙、自動車、防衛、エネルギー、消費者、エレクトロニクス、医療、重工業向けの複合材の用途で使用される高弾性率タイプがあります。

海軍施設工学司令部は、海洋工学および建設で使用するケブラーロープの能力を調査し、ケブラーの信じられないほどの引張強度と浮力によって提供される革新的な設計と用途をもたらしました。

ケブラー繊維は、炭素繊維に匹敵する引張強度、ガラス繊維と炭素繊維の間の弾性率、および両方より低い密度を持っています。 

ケブラーアラミドは、軽量、高強度、高剛性、損傷抵抗、疲労および応力破断に対する抵抗力が重要な高性能複合材料用途に使用されます。

Markforgedは、Onyx、Onyx FR、さらにはナイロンホワイトをKevlarで補強することで、エンジニアや部品設計者が非常に用途の広い部品を作成できることを発見しました。

電子放射はケブラーにとって有害で​​はないので、ケブラーは、320°F(-196°C)の低温環境で大きく変化し、脆化や劣化を示さず、電子放射のある環境を示します。

ただし、ケブラーはUV(紫外線)光に敏感です。

設計者は、連続繊維で印刷することにより、環境、用途、および負荷条件に耐える、安全で、丈夫で、硬く、軽量で、部品を開発できます。

CFF(Continuous Filament Fabrication)プロセスで部品を設計することにより、設計者は鋼線の8倍以上のケブラーの引張強度(伸びまたは引っ張り)を活用できます。 

Markforgedケブラーフィラメント
Markforged Kevalrフィラメント

CFFで強化することで、設計者は金属強度のある複合部品を構築し、部品の耐久性(寿命)を向上させ、最も必要とされる部分の強度を最適化できます。

また、ケブラーには非常に長い塑性変形範囲があり、破損すると一度に1本のストランドになり、スナップする代わりに曲がったり、倒れたりします。

カーボンファイバーのような他のファイバーと比較して、はるかに予測可能で許容可能な破損モードがあります。

ABS vs PLA vsケブラー
ビデオをご覧ください:ABS(青)、PLA(赤)、およびケブラー強化オニキス(黒)の部品をハンマーで打った

ケブラー繊維のユニークな特性:

  • 非常に低いストレッチ
  • 高い引張強度
  • 非常に高い強度重量比
  • 優れた耐疲労性
  • 広い温度範囲で優れた性能
  • 溶けません。800°F-900°F(427°Cから482°C)で分解します
  • 低クリープ
  • 収縮なし
  • 良好な化学的安定性
  • 耐摩耗性が高い
  • 横方向の弱い強度(圧縮強度の弱い)
  • すべてのMarkforgedフィラメントの最も壊滅的な故障モード
マークフォージドコンポジット
Markforged Composites Material Datasheet 

耐衝撃性

ケブラーは、ABSの8倍の耐衝撃性を持ち、他の強化繊維よりも15〜20%軽量です。

ケブラー耐衝撃性

曲げ強度

3点曲げでは、3D印刷されたケブラーはABSの3倍、ナイロンの6倍です。

ケブラー曲げ強度

曲げ剛性

3D印刷されたケブラーは、ABSの12倍、ナイロンの30倍の剛性があります。

ケブラーは優れた耐久性を備えており、繰り返される突然の負荷がかかる部品に最適です。

グラスファイバーと同じくらい剛性があり、延性がはるかに高いため、次のような積層造形に合わせたさまざまな用途に使用できます。 

  • 運動靴
  • ロボティクスとクレードル
  • エンドエフェクタ/グリッパー
  • スマートフォンケース、パーソナルエレクトロニクス
  • 油圧または空気圧で駆動するように設計された部品
  • 保護具、ヘルメット; 戦闘、オートバイ
  • ブレーキレバー、クランプ、マウント
  • 備品、工具、ワークホールド、ソフトジョー
  • ギア、レンチ、ドローン
  • スポーツ用品、アクセサリー、カラビナ
  • 最終用途部品、消費者製品など

Dixon ValveグリッパーはOnyxで印刷され、ケブラーで補強されています。材料は、クランプ力を伝達するのに十分な強度、繰り返しの負荷サイクルを通して耐久性があり、バルブを傷つけないものでなければなりません。 

それでは、次は炭素繊維の理解についてもう少し詳しく見ていきましょう。 

カーボンファイバー

マークフォージド炭素繊維フィラメント
炭素繊維フィラメント

炭素繊維フィラメントは、結晶構造に組織化された炭素原子で構成されています。剛性と強度が非常に高いため、航空宇宙および自動車産業で広く使用されています。鉄とチタンの両方よりも高い強度と重量の比が存在します。   

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強度重量比

6061アルミニウムと比較して、3Dプリントカーボンファイバーは、曲げの強度と重量の比率が50%高く、張力が300%高くなっています。 

炭素繊維の強度と重量の比

曲げ強度

3点曲げでは、3DプリントされたカーボンファイバーはABSの8倍、アルミニウムの収率より20%強力です。 

炭素繊維の曲げ強度

曲げ剛性

3Dプリントカーボンファイバーフィラメントは、ABSの25倍、Markforgedのその他の強化繊維の2倍の剛性があります。 

炭素繊維の曲げ剛性

炭素繊維材料の特性:

  • Markforged 3Dプリントカーボンファイバーは、6061アルミニウムの降伏強度に等しい
  • アルミニウムが塑性変形し始めるのと同じ応力で破損します。
  • 炭素繊維は、アルミニウムが塑性変形しながら荷重が取り除かれると元の形状に戻ります
  • 高剛性および高強度
  • 電気を通す
  • 腐食と耐熱性
  • 骨折まで硬直(故障は急激で予測不可能)
  • 理想的な荷重は一定です-常に既知の力をサポートします。 
カーボンファイバー
リンク:積荷を見通しに入れるために、22,200ポンドは、3台のフォードF150を持ち上げることに相当します。 

 カーボンファイバーの驚くべき特性により、軽量化が重要な用途での金属代替品として使用できます。

すべての業界は現在、CFFを炭素繊維で活用し、信じられないほど強力な部品を印刷する能力を持っています。

また、Generative Designは、Markforged CFFと組み合わせると、設計者が複数の最適化されたソリューションを探索し、設計と強度の両方の観点から用途に合わせた最適な設計を選択できるという利点があります。  

マークフ
Markforged Composites Material Datasheet 

炭素繊維は、さまざまな用途に使用できます。航空宇宙、自動車、建築および建設、消費財、医療、エネルギー、防衛、エレクトロニクス、産業機械など、積層造形に合わせて調整されており、このリストに終わりはありません。

  • ロボット工学とロボットアーム
  • エンドエフェクタ、グリッパー、およびソフトジョー
  • 検査治具、溶接治具、CMM治具
  • 成形ツール
  • 自転車とそのコンポーネント
  • ハイエンドのモータースポーツ用途

Haddington Dynamicsのユースケースをご覧ください。3Dプリントされた連続カーボンファイバーフィラメントで強化されたロボットアームで、ロボットアームが50ミクロンの精度を持つのに十分な剛性と軽量性を備えています。カーボンファイバー3Dプリンターを使用して、同社は部品数を800から70未満に減らすことができました。 

炭素繊維強化フィラメント
リンク: 7グラムの炭素繊維強化オニキスサンプル(左)と12グラムのアルミニウムサンプル(右)の両方から吊り下げた12.5 kg(27.5ポンド)