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旭化成はポリアミド(PA)をセルロースナノファイバー(CNF)で強化した3Dプリンター用のフィラメント材料を開発、自動車技術の展示会「人とくるまのテクノロジー展2024 YOKOHAMA」(2024年5月22~24日、パシフィコ横浜)で披露した(図1)。積層造形での層間の接着力が強いため、炭素繊維(CF)で強化したフィラメント材料と比べて造形物の強度が高い。2025年以降の販売を目指して開発を進めており、価格は現行のCF強化フィラメントなどとほぼ同等にしたいとしている。
図1 セルロースナノファイバー(CNF)で強化したポリアミド(PA)
フィラメント材料、ペレットと造形サンプル。右下のファンを模した造形品は、一体造形だが中の羽根を回せる。(写真:日経クロステック)
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同社は主として射出成形に向けて、CNFをプラスチックに組み合わせる開発を続けてきた中で、「CNFによってPAのチキソトロピー性が高まり、3Dプリンターに向いていると気づいた」(同社)。チキソトロピーは、せん断応力を受けていると流動性が高まり、応力が抜けると粘度が上がって固体状になる性質。熱溶解積層(FDM、Fused Deposition Modeling)方式の3Dプリンターでは、フィラメントが管路を通ってノズルに達するまでは流動し、ノズルから出たあとは流動せずに固まる性質が望ましく、チキソトロピー性の高い材料が向く。
CNFで強化したPAは、ノズルから出た直後はまだ流動性が高いため層間の接触面がややつぶれて平面状になり、その状態で固まるため層間の接着力が強くなる。対照的に、CFで強化したPAは、ノズルを出る前と後で流動性の変化が小さいため、成形品が崩れないように流動性をやや抑える必要があり、層間の接触面があまり広がらず線状になるという。その結果、造形後に力を加えたときの層同士のはがれにくさについては、CF強化PAよりもCNF強化PAの方が勝る。