将来の複合製造-AFPおよびアディティブマニュファクチャリング

既製のCFRP表面とブラケットへの「オーバープリント」（左上） 、3D印刷やフィラメントワインディングなどのハイブリッド化プロセス（右上） 、3DプリントコアをAFPラミネートに、AFPスキンを3Dプリントコアに（右下） およびCEADAM Flexbot3D印刷を45度で（左下） 。写真提供者：TUミュンヘン、カーボンコンポジットの議長

9月、私は仮想シンポジウム「FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP＆AM」に参加し、自動繊維配置（AFP）と積層造形（AM）について言及しました。このシンポジウムは、 でカーボンコンポジット（LCC）の議長が主催しました。 ミュンヘン工科大学（TUM、ミュンヘン、ドイツ）。このイベントには、TUMの研究パートナーであるオーストラリア国立大学（ANU、キャンベラ）も含まれていました。シンポジウムでは、TUMとANUの両方での複合材料の研究開発能力、およびAFPT、エアバス、BMW、CEAD、DLR、フラウンホーファー、GKNエアロスペース、INOMETA、SGLカーボン、ビクトレックスなどの産業パートナーとの完了および進行中のプロジェクトをレビューしました。

TUMとANUのコラボレーションは、熱可塑性複合材料から圧縮天然ガス（CNG）貯蔵タンクを開発するAutoCRCプロジェクトで2010年に始まりました。それ以来、オーストラリア研究会議の先進複合材料自動製造センター（AMAC）の設立や、ANUの3つの主要な重点分野など、共同研究開発が続けられています。

• 材料の強化
  • カーボンコンポジットの機能特性を強化するためのナノスケールの材料とコーティング
  • 熱伝導率と電気伝導率のためのグラフェン強化プリプレグテープ
• レーザー-AFP
  • 複合強化鋼を開発するためのフォードとのプロジェクト
  • 加熱バイアスのデジタル制御、例：コーナー/ 3Dジオメトリのプロセス安定性
• X線CTによる高度な診断

写真提供者：Dr.-Ing教授による「AFPとAMの統合による新しい地平」 Klaus Drechsler、TUMシンポジウム2020年9月。

写真提供者：Klaus Drechsler、TUMシンポジウム2020年9月。

彼は、3D印刷繊維強化複合材料に使用される最も一般的なプロセスである材料押出成形（MEX）とAFPISCの類似点について説明しました。

• 局所的な繰り返しの熱処理
• レイヤーベースの設計と直交異方性材料の特性
• 2Dおよび3Dでプログラムされたパスに沿った材料の配置と層間の熱活性化。

次に、Drechslerは、複合材料の将来のニーズと、AFPとMEXを組み合わせることで、短期的には工具を使用し、長期的には費用対効果が高く、生態学的に持続可能な構造を含むソリューションを提供する方法について話し合いました。

Drechslerは、LCCの機能の概要を説明する際に、MEX機器の概要と、積層造形における過去および現在進行中のR＆Dプロジェクトについて説明しました。

ISC AFPに関して、LCCでの最近および進行中の開発には次のものがあります。

• 水素貯蔵タンクを含む圧力容器などの構造物の工業化をサポートする容器巻線ヘッド
• レーザービーム加熱の閉ループ制御
• 固結のための流体冷却ローラーの使用
• ISCを最適化するためのテープの特性評価。

MEXおよび3D印刷におけるLCCの開発は、今後2日間の複数のプレゼンテーションでさらに調査されました。

CEADおよび大規模3D印刷

Drechslerの基調講演の後の次のプレゼンテーションは、CEAD（オランダ、デルフト）のエグゼクティブディレクターであるMaartenLogtenbergによって行われました。 2014年に設立されたCEADは、ガントリーベースの密閉型セル（CFAM Prime）とロボットベースのシステム（AM Flexbot）の両方として、Continuous Fiber Additive Manufacturing（CFAM）テクノロジーに基づく商用システムを販売してきました。 LCCは後者を所有し（上記の表を参照）、いくつかのプロジェクトでLCCと連携しています（ CW を参照）。 CEADとTUMLCCとの連携に関する記事）

Logtenbergのプレゼンテーションのハイライトには、CNCフライス盤、大型の加熱印刷ベッド（1.2m x3mおよび1.2mx 2m）、および加熱回転印刷ベッドを統合するハイブリッドソリューションのCEADの開発が含まれていました。また、さらに大きなセルと45度の印刷、および民間航空機部品の連続オートクレーブ製造用の繊維強化ツールの印刷も追求しています。

Logtenberg氏は、3Dプリントオートクレーブツールの主な課題の1つは熱膨張であり、4メートルをはるかに超えるツールは膨張しすぎる傾向があり（「ハイブリッド、大判添加剤ツール」を参照）、ツール設計による十分な補正が困難であると述べました。 。彼が提案した解決策は、これまで主に使用されていたチョップドファイバー補強材を、AMFlexbotなどのシステムによって堆積された連続ファイバーに置き換えることです。

この前進の道は、プレゼンテーション「複合フラップ製造用の3Dプリントトラックインテンシファイアの紹介」で支持されました。 」は、ドイツのミュンヘンにあるGKNAerospaceのThomasHerknerによって提供されました。これらの3DプリントされたCFRPインテンシファイアは、エアバスA350およびA330のCFRP着陸フラップの製造における工具として使用されます。 GKNでのこの成功したプログラムでは、細断された繊維強化が使用されましたが、Herknerは、3D印刷された工具、および最終的には航空機部品自体での連続繊維の使用を含む、さらなる開発のロードマップを示しました。

この前進の道筋は、最近のCWブログでLCCの調査員であるPatrickConsulによって十分に説明されています。

領事はTUMシンポジウムでも発表し、大規模な押出成形ベースのAMのプロセス設計について検討しました。彼は、以下に示すガラスと相転移が、CFAMやAMFlexbotなどの3D印刷システムで溶融および押し出しされるチョップドファイバー強化ペレットの材料特性の最大の変化をどのように表すかについて説明しました。

領事の仕事は、ポリマーの粘度や押出温度、トルクなどのMEXパラメータが、印刷された複合材料の結晶化度にどのように影響するかを分析しました。これは、3D印刷中に層を溶接する能力に影響します。この層と層の結合に加えて、領事は印刷された層の繊維配列と残留応力についても調査しました。提示された解決策の1つは、レーザーを使用して印刷中に基板を予熱することでした。これは、熱可塑性複合材料のISC AFPで今日広く使用されているため、知識をAFPからAMに転送します。最初の実験では、制御可能なレーザーダイオードのリングを使用しました。

領事の同僚であるMatthiasFeuchtgruberは、その日の後半にプレゼンテーションを行い、プロセス設計と材料特性評価から複合材料AMの仮想プロセスチェーンの開発に進みました。

次に、Alexander Matschinskiが、コンポジットAMでのエンドレスファイバーの統合について発表し、以下のチャートを提示しました。これが、 CW で使用した修正チャートの基礎になりました。 連続繊維3D印刷に関するの次世代補足記事。 Matschinskiは、連続ファイバーAM構造の設計作業と、既製のCFRP部品および表面への「オーバープリント」の将来の開発についても話し合いました。

SGLカーボンのDr.ChristopherEbelは、自動車用の鋼製アンダーボディ構造の補強、部品点数の37から9への削減、重量の41％の削減など、連続繊維の他の興味深い用途を示しました。もう1つのコンセプトは、負荷が最適化された構造のために、スナップキュアエポキシ樹脂を含浸させたトウプレグを使用した3D巻線でした。このデジタル主導のアプローチは、複雑な負荷の単純化とトポロジーの最適化から始まり、その後に自動化された製造が続きます。結果として得られる部品は、構造へのインサートのフォームロックを利用して、剛性を失うことなく荷重を導入できます。このようなインサートには最新の3D金属印刷プロセスを使用できるため、荷役効率をさらに最適化し、コストを削減できます。

DLRのSebastianNowotnyは、3D印刷と熱可塑性複合材料のISC AFPの組み合わせについて話し合いました。これには、AFPラミネートへの3D印刷や、部分的に開いた3D印刷構造へのAFPが含まれます。最初の実験では、コアを事前に作成されたCFRPスキンに3D印刷し、次にAFP /テープを3D印刷されたコアの上に配置します。標本を作成し、引張せん断試験を行って、スキンとコアの結合を評価しました。

スライドショーのタイトル

写真提供者：Sebastian Nowotny、DLR、TUMシンポジウム2020年9月

ハイブリッド3D印刷とAFPを使用して作成されたクーポンの引張せん断試験。写真提供者：Sebastian Nowotny、DLR、TUMシンポジウム2020年9月

写真提供者：CEAD、TUMシンポジウム2020年9月

複合材料製造中のコンピュータ断層撮影の将来の応用。写真提供者：オーストラリア国立大学、TUMシンポジウム2020年9月

レーザーAFPを使用してハイブリッドCFRP-金属構造を作成する開発作業。写真提供者：オーストラリア国立大学、TUMシンポジウム2020年9月

熱伝導性および電気伝導性のためのグラフェン強化プリプレグテープ。写真提供者：オーストラリア国立大学、TUMシンポジウム2020年9月

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Airbus Central Research＆Technologyの材料責任者であるChristian Weimerは、将来の航空機の場所を確保するために複合材料で達成しなければならない、軽量化とコスト削減、持続可能性の向上を目的とした、進化するテクノロジーランドスケープの一部としての連続繊維印刷について説明しました。彼は、真に効率的な3Dコンポジットは以下を採用する必要があることを強調しました：

• 適切な原材料と中間体–繊維、半製品
• 効率的なプロセスとインターフェース– AM熱可塑性プラスチック、射出成形
• 適応された設計とサイジング–統合された、完全に3D負荷最適化）
• 表面と機能– ESN（電子シリアル番号）、SHM（構造ヘルスモニタリング）

彼はまた、緊急の気候と環境の持続可能性の目標を達成するために、生物由来の繊維と樹脂の必要性についても話し合いました。

TUMシンポジウムでは、ANUでの作業の概要など、さらに多くのプレゼンテーションが行われました。複合材料がどのように前進しているか、世界中のパートナーと協力してLCCがどのように複合材料が達成できるかを想像し続け、業界を前進させる方法を示すのは非常に興味深いものでした。

エピソード35：Lisa Ketelsen、コベストロ NREL、アルケマはリサイクル可能な熱可塑性複合風力タービンブレードを研究しています