3D複合材

三次元複合材料は、糸や繊維束を複雑な三次元構造に配置した繊維プリフォームを使用します。これらは、3D織り、3D編み、 3D組紐、または短繊維の3D配置によって作成できます。樹脂を3Dプリフォームに塗布することで、複合材料が作られます。三次元複合材料は、複雑な機械的特性を実現するために、高度なエンジニアリングと高度な技術を要する用途で使用されます。三次元複合材料は、一方向の繊維束で構成される従来の複合材料、2D織り複合材料、サンドイッチ複合材料、または積層ラミネート材料では不可能な方法で、応力やひずみに反応するように設計されています。

3 次元織物とは、かなりの厚みでほぼネット シェイプに成形できる織物です。 1 枚の織物で完全な 3 次元補強が実現するため、部品を作るために重ね合わせる必要はありません。 3D 織物は 2D織りプロセスの変形であり、二重織りや三重織りの布を作る非常に古い技術の拡張です。 3D 織りでは、 厚さ10 cm までの織物の製造が可能です。 ^{[ 1 ]} 厚み方向に配置された繊維は、3D 織物では z ヤーン、経糸、またはバインダー ヤーンと呼ばれます。 複数の層の織物が同時に織られ、その過程で z ヤーンが異なる層の経糸と緯糸を絡ませます。 織りプロセスの最後に、かなりの厚みを持つ統合された 3D 織物構造が作られます。^{[ 2 ]} 3次元織物構造は、3D単位セルと3D直交構造の両方において、繊維体積率が約50%の複合材料を生成できる。^{[ 3 ]}

角度インターロック三次元織物構造も、より厚い織物プリフォームを作成するためによく用いられます。インターロック構造では、糸をある層の糸から別の層の糸に織り込み、その後元の層に戻すことで、隣接する層同士をロックすることができます。複雑なインターロック構造では、複数の層を接合するために、糸を特定の箇所で複数の層に織り込むことができます。これらの構造は、層間剥離に対する優れた耐性があるため、積層材料に比べて大きな利点があります。^{[ 4 ]}

分岐などのジャカード織り技術を用いることで、3D織物プリフォームは、標準的なI形鋼から複雑な正弦曲線I形鋼、航空機の翼型、その他多くの形状まで、ほぼ無限の形状に成形できる。樹脂トランスファー成形で仕上げられた3D織物複合材は、 26フィートを超える長さのものも製造されている。^{[ 5 ]}

3D織物複合材は、エンジンローター、ロケットのノーズコーンとノズル、エンジンマウント、航空機のフレームワーク、T字型およびX字型パネル、航空機の翼の前縁、土木インフラ用のI形鋼など、さまざまなエンジニアリング用途に使用されています。^{[ 6 ]}

「3D 編組ファブリック技術は、確立された 2-D 編組技術の拡張であり、2 つ以上の糸システムを絡ませて一体構造を形成することでファブリックを構築します。」^{[ 13 ]} 1960 年代後半に、2D 複合積層材に関連する問題を回避しつつ、編組プロセスの利点を維持する目的で開発されました。^{[ 14 ]}複合材プリフォームとして使用される編組構造は、フィラメントワインディングや織物などの他の競合プロセスに比べて多くの利点があります。^{[ 15 ]}

編組複合材は、フィラメントワインディング複合材に比べて優れた靭性と疲労強度を有しています。織布は直交する交錯構造を持ち、編組は10度から85度までの幅広い角度で構成できます。さらに、編組工程に軸方向の糸を追加することで三軸編組（図1）を製造できます。三軸編組はより安定しており、ほぼ等方性を示します。

組紐は、継ぎ目のないチューブ状、または連続した耳のある平織り生地として製造できます。組紐プリフォームを使用して製造された複合材料は、繊維の連続性により、広幅布複合材料と比較して優れた強度と耐亀裂性を示します。また、組紐で穴を開けた複合材料（図2）は、やはり繊維の連続性により、ドリルで穴を開けた複合材料と比較して約1.8倍の強度を示します。

3D編組機には、ホーンギア型とトラック・コラム型の2種類があります。ホーンギア型の3D編組機は、キャリア推進に多数の従来型ホーンギアを使用します。ホーンギアを正方形に配置することで、さまざまな断面形状（例えばH断面）の3Dソリッド編組を製造できます。^{[ 16 ] [ 17 ]}

3D編組複合材料の応用例

• プロペラブレード、推進軸、プロペラ
• トラスセクションデッキ、着陸パッド
• 車体、シャーシ、ドライブシャフト
• 生体医療機器

高強度糸で積層板を厚み方向に縫い合わせる方法は、3D複合材を製造するためのシンプルで低コストな方法であることが証明されています。縫い合わせ工程は基本的に、工業用ミシンを使用して、未硬化のプリプレグ積層板または乾燥布層に高張力糸（ガラス、カーボン、ケブラーなど）を縫い付けるものです。^{[ 18 ] [ 19 ]}

ステッチングによって面内方向の機械的特性が向上するという研究報告がある一方で、特性が変化しない、あるいは劣化するという報告もある。ステッチングされた積層材について収集されたデータによると、ステッチングによって引張強度、圧縮強度、曲げ強度、せん断強度、および開孔強度が、ステッチングされていない積層材と比較して最大20%向上または劣化することが明らかになっている。^{[ 20 ]}

3Dステッチ複合材の応用例

• 重ね継ぎ
• 補強パネル
• 航空機の翼と桁の接合部

標準的なステッチング プロセスに代わるこの方法は、1980 年代後半に初めて導入され、Aztex 社によってZ-Fiberテクノロジーとして商業的に開発されました。「この技術は、事前に硬化させた強化繊維を熱可塑性フォームに埋め込み、それをプリプレグまたは乾燥した布の積層体の上に置いて真空バッグで密封することから成ります。」12 温度と圧力が上昇するとフォームが収縮し、繊維がゆっくりと積層体に押し込まれるようになります。Z ピンニングに関する 3D 強化は、複合材積層体の異なるプライ間に機械的リンクを導入するために必要であり、このリンクは Z ピンニングにおける硬い炭素繊維ロッドです。Z ピン (厚さ方向 z に埋め込まれた小径の炭素繊維) 複合材は、2D 織物複合材にはない、厚み方向の剛性と強度を高める手段です。

3D Zピン複合材の応用

• F/A-18スーパーホーネット戦闘機の吸気ダクト外板パネルの補強と帽子型補強材の固定。^{[ 19 ]}

3Dプリフォームの多くは、樹脂を塗布してプリフォーム内で硬化させることで、繊維強化マトリックスを形成する複雑な複合材料に変化します。3Dプリフォームへの樹脂塗布の最も一般的な方法は、樹脂トランスファー成形プロセスです。このプロセスでは、プリフォームの形状の金型を作成し、その中にプリフォームを配置します。金型を閉じ、特定の温度と圧力でマトリックス材料の樹脂を注入し、硬化させます。その後、金型を3D複合材料の外側から取り外します。^{[ 20 ]}

3D織物複合材の微細構造は、主に織物プリフォームの繊維構造と織り工程によって決定され、固化工程の影響はそれほど大きくありません。3D織り工程では、意図せず様々な種類の欠陥が発生し、3D複合材の面内、厚み方向、および衝撃特性が低下する可能性があります。研究では、様々な3D複合材料をテストした結果、「…強度は同等の2次元（2D）材料と同じか、わずかに高い」ことが分かりました。2D複合材と比較すると、3D複合材では、面に沿った機械的特性を大幅に低下させることなく、耐衝撃性、衝撃後の圧縮（CAI）、および層間剥離制御が大幅に向上します。^{[ 21 ]}

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