自動織りシステムは、高性能で大量のアプリケーションを対象としています

特に自動車産業における複合材料の普及に対する長年の障壁の1つは、多くの種類の複合材料製造プロセスで実現可能なものよりも大量生産と低コストの必要性です。スタートアップ企業のWEAV3DInc。（米国ジョージア州ノークロス）は、無駄がなく、費用効果が高く、WEAV3D Inc.が予測するように設計された自動織りプロセスで製造された、連続的な熱可塑性複合強化格子構造でこれらの問題を解決しようとしています。 、大量生産のイネーブラー。

コンセプトから商品化まで

WEAV3DInc。の創設者兼CEOであるChristopherObersteは、博士号を取得しながら、彼のテクノロジーの初期コンセプトを開発しました。 2014年にジョージア工科大学（ジョージア工科大学、アトランタ）で材料科学と工学の博士号を取得しました。ポリマーと繊維工学の研究とGKN Aerospace North America（米国アラバマ州タラシー）での協同組合インターンシップにより、熱可塑性繊維への関心が高まりました。圧縮成形や航空宇宙複合材などの大量生産プロセス。この作業は、熱可塑性複合材料強化格子構造の高速自動織りプロセスの最初の反復の開発につながりました。彼の博士号の助けと支援を受けてアドバイザーのベン・ワン博士、オーバーステは、ジョージア研究同盟と全米科学財団のイノベーション隊（NSF I-Corps）プログラムから彼のアイデアを開発し、商業化するための助成金を申請し、受け取りました。

次の2年間、ObersteはMBAおよび法学部の学生と協力して、ジョージア工科大学のTI：GER（Technological Innovation：Generating Economic Results）と呼ばれる共同プログラムを通じて技術を商品化しました。 2017年までに、メガワットベンチャーズと米国エネルギー省クリーンテック大学賞からの追加資金により、オーバーステと共同創設者のルイスモーション、元米国沿岸警備隊のヘリコプターパイロットがWEAV3DInc。を設立しました。現在、同社は3人のフルタイムスタッフと4人のパートタイムスタッフを雇用しています。

航空宇宙におけるObersteとMotionのバックグラウンドを考えると、当初の計画は、WEAV3Dの熱可塑性複合材料を航空宇宙コンポーネントの補強構造として認定することでした。ただし、Obersteは、NSF I-Corps助成金の一環として、彼と彼のチームは潜在的な業界顧客との一連の100のインタビューを実行する必要があり、それが彼らを別の方向に導いたと説明しています。 「私たちは航空宇宙で多くの発見インタビューを行いました…しかし、特に新しい製造プロセスで、スタートアップが航空宇宙に参入する道は非常に難しいと何度も耳にしました。採用期間は非常に長く、非常に高額です。多くの企業は、市場に出る前に死んでしまいます」と彼は説明します。

Obersteと彼のチームは、他の業界の企業と話をした後、自動車および建設市場に焦点を移すことに決めました。彼は次のように述べています。「（自動車の）人々と話し始めると、自動車の人々は軽量化に対する差し迫った需要が多いという点で、その分野では満たされていない非常に大きなニーズがあることに気付きましたが、価格にも敏感です。 。彼らは、利用可能な従来の複合材料製造プロセスのほとんどは、必要なコストで必要な量を提供できなかったと語っています。」そこから、Obersteは、彼の技術を進化させて、大量の複合部品を低コストで製造できるソリューションにすることを目指しました。

その結果が、WEAV3Dの商標であるRebar forPlasticsのコンセプトです。 WEAV3Dは、自動織りおよび圧密プロセスを使用して、圧縮成形、射出オーバー成形、またはその他の一般的な大量プロセスにより、プラスチックまたはコンクリート部​​品に補強材として簡単に統合できるように設計された、寸法調整可能な熱可塑性複合格子構造を製造します。シミュレーションモデルに基づいて、Obersteは、このアプローチにより、鋼やアルミニウムの板金と同等の性能を備えた自動車部品の製造が可能になると述べています。 ATL）またはハンドレイアッププロセス。

WEAV3Dプロセス

WEAV3Dプロセスは、既製の熱可塑性一方向（UD）テープから始まります。 Oberste氏は、このプロセスはあらゆるタイプの熱可塑性繊維と強化繊維を処理できると述べています。またはポリアミド[PA]スペース。ガラスと炭素繊維がもちろん最も人気がありますが、補強繊維に関しても非常に不可知論者です。」チームは導電性の金属テープでもいくつかの作業を行い、光ファイバーが埋め込まれたテープを研究していると彼は言います。

WEAV3Dの実物大のパイロットマシンは、25ミリメートル幅または1インチ幅のテープを処理するように標準化されていますが、Obersteによると、このマシンは、アダプターを使用して幅5ミリメートル（0.2インチ）以上のテープを処理できます。リツール付きのテープ。現在のマシンでは、アプリケーションに必要な任意の長さで、幅1.5メートル（60インチ）、厚さ5層までの格子を作成できます。

同社の2017年11月の特許出願では、WEAV3Dシステムを「制御可能な内部ファブリックジオメトリを備えた織物複合材を連続的に製造するための機械」と説明しています。マシンにロードされたスプールから、UDテープは独立して制御可能なワープヘッドのアレイに通されます。各ヘッドには複数のテープチャネルがあり、縦糸小屋を形成します。縦糸テープの間に、横糸方向のテープを通すためのスペースがあります。インサータースタックは、縦糸小屋を通して横糸方向に一方向テープをディスペンスして、複合織りを形成します。次に、織られた格子は、赤外線（IR）光源の下で引っ張られ、次に圧縮ローラーを通過して、インターレースポイントでテープの層を統合および結合します。顧客の要件に応じて、結果として得られる構造はフラットシートまたはロールとして提供されるか、WEAV3Dが追加のトリミングおよび予備成形サービスを提供します。

WEAV3Dのプロセスの最も重要な利点の1つは、さまざまなアプリケーション向けの格子構造の高レベルの調整可能性であるとOberste氏は言います。これには、さまざまな場所でさまざまな材料を混合することや、格子構造の密度またはテープ間の距離を調整することが含まれます。 「全体的なコストを最小限に抑えながら、最終製品の要件に合わせて格子構造を実際に最適化できます。」

顧客に納品されると、格子はポリマーコンクリートコンポーネントに統合されるか、圧縮成形、熱成形、または射出オーバーモールドされて、最終的な自動車用複合部品を形成します。 WEAV3Dプロセスは、さまざまなレベルの複雑さに対応することもできます。 Oberste氏は、比較的単純な部品の場合、「この格子は、ラミネーションプロセスと組み合わせて、コフォーミングステップと同じように熱成形することができます。適度に複雑な部品の場合、熱可塑性圧縮成形であろうとSMC圧縮成形であろうと、圧縮成形で共成形または予備成形を行うことができます。そして、非常に複雑な部品の場合、実際に格子を必要な形状にプリフォームし、それをツールに配置してから、その部品に射出オーバーモールドを行うことができます。」

「複合材料エコシステムにおける私たちの大きな焦点は、私たちが大量生産のゲームチェンジャーであるということです」と彼は付け加えます。正確な量は用途によって異なりますが、Obersteは、自動車のドアパネルを補強するサイズの格子部品の場合、WEAV3Dの機械は年間20万から50万台を生産できると推定しています。

さらに、WEAV3D製品は、複合部品またはプラスチック部品を補強するときに、強化された機械的特性も示しました。 「WEAV3D格子を既存の短繊維プラスチックまたは長繊維複合材料と組み合わせると、結果として得られる製品の強度、剛性、および靭性を大幅に向上させることができます」とOberste氏は言いますが、増加量は使用する特定の材料と設計によって大きく異なると付け加えています。特定の部分。 「一部のアプリケーションでは、このパフォーマンスの向上により、部品の厚さやリブを大幅に減らすことができ、これは重量の削減につながります。」

鉄筋コンクリートトレンチ：最初の商用アプリケーション

最初の数年間、スタートアップ企業は自動車産業に特に適した製造方法と材料の製造に焦点を当ててきましたが、Obersteは、この技術が商用航空宇宙インテリアコンポーネント、無人防衛航空機、鉄道、貨物でどのように使用されるかについてアイデアを持っています。輸送および海洋用途。

ただし、2020年11月に発表された最初の商用アプリケーションでは、WEAV3Dは建設市場から始まり、Oldcastle Infrastructure（米国ジョージア州アトランタ）が製造したポリマーコンクリートトレンチシステムにガラス繊維/ PET補強材を使用しました。

Oldcastleのトレンチシステムは、都市部、駅、または産業プラントでユーティリティケーブルを配線するために使用され、その上を走行する車両からの16,000ポンドの負荷に耐えることができなければなりません。以前は、コンクリートに埋め込まれたカスタム溶接の鋼線ケージでトレンチが補強されていました。ただし、Obersteによると、これらのスチールケージはカスタム製造に費用がかかり、Oldcastleはいくつかの異なるサイズのトレンチを製造しているため、スチールケージは、トレンチの排水穴を適切に補強するための正しい寸法であるとは限りませんでした。 「私たちのプロセスでは、アプリケーションの要件に合わせて格子を実際に最適化できるため、格子の形状を調整することができました。たとえば、トレンチの下部にある排水口の周りに補強を追加し、取り扱い中の衝撃から保護されるように、トレンチの端を固定します」と彼は言います。

さらに、プロジェクトの最も困難な側面の1つは、スチールケージの場合のように機械的なインターフェースだけに頼るのではなく、ポリマーコンクリートと接着結合を形成できる熱可塑性テープ材料を特定することでした。補強。選択されたポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）材料WEAV3Dは、2つの材料間に真の接着界面を形成し、応力伝達を助け、破壊の可能性を減らします。 「たとえ骨折が起こったとしても、その接着界面を克服しなければならないので、その骨折は構造全体に伝播する可能性がはるかに低くなります。」

WEAV3Dは、この用途向けに設計された格子をUチャネルプリフォームとして生成し、オールドキャッスルはそれを鋳造金型に入れてポリマーコンクリートを流し込み、硬化と離型して最終的な鉄筋コンクリート構造を生成します。

建設中、WEAV3Dは、その格子をエンクロージャーや蓋などの他のポリマーコンクリート用途に拡張する計画を立てています。 2020年10月、WEAV3Dは、西オンタリオ大学と構造工学会社Entuitiveとの共同提案で、カナダ国立科学工学研究評議会から、伝統的なポルトランドセメントの補強材としてのWEAV3Dの格子の使用を評価する研究を実施するための助成金を授与されました。ベースのコンクリートも。目標は、非住宅用の建物のスラブやファサードの補強材として使用できる格子を開発することです、とOberste氏は言います。

次世代WEAV3D：自動車の速度

自動車製造のニーズを満たすように設計された次世代バージョンのWEAV3Dマシンは、NSFからの研究資金で開発中です。 Obersteは、2022年にオンラインになる可能性が高いと述べています。新しいシステムの改善は、IR加熱ローラーと圧縮ローラーをより効率的な超音波溶接に置き換えることを含め、現在のシステムの生産速度を3倍にすることを目標としています。

同時に、Obersteと彼のチームは、自動車業界の米国および欧州のTier 1およびOEMと、インテリアコンポーネントからピックアップトラックのテールゲートに至るまで、プラスチックパネルを強化するためのWEAV3D製品の使用について話し合いを始めました。 「目標の1つは、成形プラスチックコンポーネント内に構造骨格として格子を追加して、強度と剛性を向上させ、設計者が現在依存している金属製のブラケットと補強材を置き換えることです」とOberste氏は言います。 WEAV3Dは、自動車のボディパネルやその他のコンポーネントのデモ記事にも取り組んでおり、この素材の利点を紹介しています。