DLRがEmpowerAXを発表し、連続繊維3D印刷を工業化

ドイツ航空宇宙センター（DLR）は、宇宙ロケットや航空機からデジタル技術や次世代モビリティに至るまで、あらゆる分野でイノベーションをリードしています。複合材料では、熱可塑性複合材料の溶接や一次空気構造の液体樹脂注入から、複合材料4.0のインテリジェントな生産システムまで、幅広い技術を進歩させてきました。

現在、DLR複合構造および適応システム研究所（ドイツ、ブラウンシュヴァイク）は、テクノロジーユーザーおよびEmpowerAXと呼ばれる添加剤押出成形のプロバイダー向けに、需要指向の業界多様化したグローバルプラットフォームを確立することにより、連続繊維複合材料の3D印刷の工業化を支援することを目指しています。

DLRはITHEC2020でEmpowerAXについて話し合い、私はDLRでXeniaStumpfとMaikTitzeをフォローアップしました。ここで、私が学んだことを共有します。

複合材料の3D印刷における直接繊維統合の概念。情報源：Alexander Matschinski、AFPとAMに関する仮想シンポジウム、ミュンヘン工科大学、カーボンコンポジット（LCC）議長、2020年9月。写真提供者：「連続繊維を使用した3D印刷：風景」、 CW 2020年10月。

なぜ添加剤を押し出すのですか？

「私たちは、熱可塑性プラスチックを使用した繊維含浸技術を開発して、より工業的で費用効果の高い生産を実現しています」と、ブラウンシュヴァイクのDLR複合構造および適応システム研究所で積層造形を担当するMaikTitze氏は説明します。 「これには、独自の工業用プリントヘッドの設計と、材料およびプロセスの分析とテストのための方法の開発が含まれます。」彼は、連続繊維を使用した付加的な押し出しは、強度と剛性を向上させるだけでなく、センシング機能と電気機能を統合する可能性も提供すると述べています。添加剤押出成形は、熱可塑性プラスチックと連続繊維を組み合わせて、高い工具コストを回避し、生産効率を向上させ、新しい設計を可能にする多機能構造を作成します。

「アディティブマニュファクチャリングは、従来のすべての複合プロセスに取って代わるわけではありません」とTitze氏は認めます。「しかし、たとえば、自動ファイバー配置（AFP）やフィラメントワインディングなどのプロセスと組み合わせて、新しいソリューションと価値を提供することができます。私たちは連続繊維3D印刷のみを扱っているため、EmpowerAXは非常に重点を置いており、高レベルの結果を達成することができます。しかし、添加剤の押し出しでは、EmpowerAXはテクノロジーに中立です。特定のテクノロジーをプッシュすることはありません。」

グローバルで多様なプラットフォーム

「現在、これらのテクノロジーのどれがアプリケーションに適しているか、そしてそれを産業環境やアプリケーションに適応させるために何をする必要があるかを理解するのは難しいです」とTitze氏は続けます。 「私たちの目標は、プロバイダーやユーザーを含む利用可能なものの範囲を調べ、たとえば航空宇宙、自動車、医療、産業などの市場セクターにまたがる多様なプラットフォームをセットアップすることです。このプラットフォームであるEmpowerAXは、中立的なテクノロジーアセスメントを実行する機能を提供します。業界と協力して、このようなテクノロジーの使いやすさを向上させるための標準化および認定措置を開発します。アイデアは、技術プロバイダーとユーザーとの新しい規範を開発することではなく、技術評価を行う方法と使用するパフォーマンス指標について合意することです。」

EmpowerAXのメンバーシップは、任意でグローバルです。英語は仕事に使われる言語です。現在、テクノロジープロバイダーとビッグテクノロジーユーザーで構成される30人以上のメンバーがいます。 「私たちは年間最大6人の従業員のために内部資金を調達しています」とTitzeは言います。 「彼らは、このグローバルプラットフォームを維持するために必要な作業をサポートします。私たちのメンバーは、私たちが一般の人々と情報を共有するのではなく、EmpowerAXメンバーとのみ情報を共有することに基づいて協力することに同意しました。メンバーシップは現在無料ですが、現在、連続繊維の相加押出にすでに関与している組織のみを受け入れています。 2021年5月以降、さらにメンバーシップを開設します。」他の唯一の要件は、「情報を共有し、貢献することをいとわない必要があります。単純に取ることができません。パッシブメンバーシップはありません。」

テクノロジースクリーニング段階

Titze氏によると、このアイデアは、すでに複合材料を使用している業界に技術を移転するだけでなく、複合材料の市場とアプリケーションを拡大するためのイネーブラーとしてEmpowerAXを使用することでもあります。 「たとえば、医療業界では、どのような特別な要件を満たす必要がありますか？」と彼は言います。これらを満たすために何をする必要がありますか？必要な品質をどのように確保できますか？また、これを産業生産環境でどのように達成できますか？」

これらの質問に答えるために、EmpowerAXは上の図に示すような段階的なアプローチを提案します。 「最初の段階は技術スクリーニングです」とTitze氏は言います。 「可能性のあるユーザーとして、テクノロジーがアプリケーションで機能するかどうかを確認したい場合は、幾何学的な制限、生産量、部品/機能の統合要件などを検討します。事前設定されたリストのすべてのメンバーに同意します。特定の強度や剛性など、約15のパラメーターを使用して、アプリケーションの要件に応じて、さまざまなテクノロジーの適合性を事前に特定します。そのため、材料/技術プロバイダーと協力して、標準パラメーターデータを取得し、事前に評価します。 次に、材料/テクノロジープロバイダーからのデータシートを使用して、標準のパラメーターデータを取得します。したがって、たとえば、利用可能な10のソリューションのうち、この最初の段階では、おそらく3つにダウンセレクトしてから、データの評価を開始してこれらを比較できます。」

特定の要件を評価することは次の段階です。たとえば、このアプリケーションが鉄道や航空機の内部にある場合は、火災、煙、毒性（FST）のパフォーマンスに関するパラメータが必要になります。 「この後、各テクノロジーをアプリケーションで機能させるためにカスタマイズが必要かどうかを定義し、必要な作業を決定します。」とTitze氏は言います。

目標は、特定のアプリケーションのファイナリストテクノロジが、テクノロジの実現可能性の観点からどのように測定されるか、およびテクノロジを産業用に転送するために必要な作業/時間/コストの量を定量化することです。 「これらの評価段階を経た後、アプリケーションで各テクノロジーを可能にするために必要な手順を簡単に理解できるはずです」とTitze氏は説明します。 「テクノロジープロバイダーにとって、これは新しい市場へのテクノロジーの移転を迅速化し、投資と労力を削減します。また、テクノロジーに適した、長所がある実際のビジネスケースも特定します。」

標準化と認定

EmpowerAXビジョンのもう1つの重要な部分は、標準化と認定を通じて成熟した添加剤押出技術を支援することです。 「たとえば、ASTM、ISO、VDI（ドイツ政府の規格）内など、どの規格があり、これらの技術で機能する可能性があるかについては、すでに調査しました」とTitze氏は言います（上のアニメーション画像を参照）。 「つまり、標準的なテスト、機能するもの、機能しないもの、必要な変更を検討しています。これは、面倒で時間と費用がかかるため、ほとんどの企業が避けたい作業です。誰もがこれらの努力を複製していなければ、業界にとってはるかに良いことです。したがって、私たちの目的は、成熟度を高めるためのより迅速な基準の達成を支援することですが、からの幅広い入力を使用します。 業界と透明性 業界。"

「また、特定の添加剤押出技術を他のプロセスステップと組み合わせる場合は、それを統合して品質保証基準を実装する必要があります」とTitze氏は指摘します。 「これには、非破壊検査（NDT）、センサー、およびソフトウェアが含まれます。考えられる欠陥とプロセスの逸脱のカタログを編集することから始めました。これらをどのように回避して検出できますか？それらが発生した場合、修復するために何ができますか？その後、可能なNDTおよびプロセス監視オプションのデータベースの構築を開始できます。」

EmpowerAXのタイムライン

「私たちの最初の目標は、今日産業的に利用可能なもののフレームワークを提供することです」とTitze氏は言います。 「私たちはまだシステムの範囲をさらに広げようとはしていませんが、代わりに、そこに何があり、これらのテクノロジーをどのように使用できるかを示したいと思っています。体系的なテストと評価だけで、いくつかの改善がもたらされると信じています。また、現在のテクノロジーで何が可能かを表示できることのメリットもわかります。さらに、障害を特定することで、障害を克服する方法について話し合うことができます。これにより、テクノロジーがさらに改善され、成熟します。」

「オートクレーブや樹脂注入を伴うプロセスを使用するよりも、複合材料を初めて使用する企業にとって、添加剤の押し出しは潜在的に簡単な方法であると考えています」とTitze氏は述べています。 「また、より多くの産業成果に合わせて調整されていることもわかります。 EmpowerAXはまた、産業用アプリケーションを検討し、これまで添加剤押出複合材料の使用を妨げてきた障害に対処することにも取り組んでいます。たとえば、現在の欠点には、プロセスの再現性と安定性が含まれます。この技術は比較的早く市場に投入されているため、まだ成熟度に達していない分野で広く使用されています。だから、それが私たちがしていることです。私たちは、何ができるのか、何をする必要があるのか​​を示し、協力してその作業を完了し、テクノロジーと業界での最終用途の両方を前進させることを目指しています。」

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