DLRがEmpowerAXを発表、産業規模連続繊維3Dプリントの先駆的プラットフォーム

ドイツ航空宇宙センター（DLR）は、宇宙ロケット、航空機、デジタル技術、次世代モビリティなどあらゆる分野でイノベーションを主導しています。複合材分野では、熱可塑性複合材溶接、一次航空構造物への液体樹脂インフュージョン、Composites 4.0インテリジェント生産システムなど幅広い技術を推進してきました。

今、DLR複合材構造・適応システム研究所（ドイツ・ブラウンシュヴァイク）は、連続繊維複合材3Dプリントの産業化を目指し、アディティブ・エクストルージョンの技術ユーザーとプロバイダーのための需要志向、産業多様化、グローバルなプラットフォーム「EmpowerAX」を確立しようとしています。

DLRはITHEC 2020でEmpowerAXについて議論し、私はDLRのクセニア・シュトムプフ氏とマイク・ティーツェ氏にフォローアップ取材を行いました。ここで得た知見を共有します。

複合材3Dプリントにおける直接繊維統合コンセプト。情報源：Alexander Matschinski、Virtual Symposium on AFP and AM、TU Munich、炭素複合材講座（LCC）、2020年9月。Photo Credit: 「3D printing with continuous fiber: A landscape」、CW 2020年10月。

なぜアディティブ・エクストルージョンか？

「熱可塑性樹脂を用いた繊維含浸技術を開発し、より産業的でコスト効率の良い生産を目指しています」とDLR複合材構造・適応システム研究所でアディティブ製造を担当するマイク・ティーツェ氏は説明します。「これには独自の産業用プリントヘッド設計と、材料・プロセスの分析・試験手法開発が含まれます。」同氏によれば、連続繊維を用いたアディティブ・エクストルージョンは、強度と剛性向上だけでなく、センシング機能と電気機能の統合も可能にします。アディティブ・エクストルージョンは熱可塑性樹脂と連続繊維を組み合わせ、高い金型コストを回避し、生産効率を改善し、新しい設計を可能にする多機能構造を創出します。

「アディティブ製造がすべての従来複合材プロセスを置き換えるわけではありません」とティーツェ氏は譲歩します。「しかし自動ファイバー積層（AFP）やフィラメントワインディングなどと組み合わせれば、新たなソリューションと価値を提供できます。連続繊維3Dプリントのみに取り組むため、EmpowerAXは非常に焦点が絞られており、高い成果達成が可能です。しかしアディティブ・エクストルージョン内では技術中立です。特定技術を推進しません。」

グローバルで多様なプラットフォーム

「現在、どの技術が自分の用途に適し、産業環境と用途に適応させるために何が必要かを理解するのは困難です」とティーツェ氏は続けます。「利用可能な技術のスペクトラム、プロバイダーとユーザーを含め俯瞰し、航空宇宙、自動車、医療、産業など市場セクターを横断する多様化プラットフォームを構築することが目標です。このプラットフォームEmpowerAXにより、中立的な技術評価が可能になり、産業界と協力して標準化と資格認定措置を開発し、こうした技術の利用容易性を高めます。技術プロバイダーとユーザーと共に新たな規格を作るのではなく、技術評価の方法と使用する性能指標について合意することが目的です。」

EmpowerAXメンバーシップは任意かつグローバルです。作業言語は英語。現在30社以上のメンバーがおり、技術プロバイダーと大手技術ユーザーで構成されます。「内部資金で年間最大6名分の人員を確保しています」とティーツェ氏。「グローバルプラットフォーム維持に必要な作業をサポートします。メンバーは、情報を公開せずEmpowerAXメンバーのみと共有することに合意しています。メンバーシップは現在無料ですが、連続繊維アディティブ・エクストルージョンに既に関わっている組織のみ受け入れています。2021年5月以降、メンバーシップをさらに開放予定です。」他の要件として、「情報共有と貢献の意思があること。単に受け取るだけの受動的メンバーシップは認めません。」と同氏。

技術スクリーニング段階

「アイデアは、すでに複合材を使用している産業への技術移転だけでなく、EmpowerAXを複合材の市場と用途拡大のイネーブラーとして活用することです」とティーツェ氏。「例えば医療業界では、どんな特別要件があるか？ それらを満たすには何が必要か？ 産業生産環境で必要な品質をどう確保し、どう達成するか？」

これらの問いに答えるため、EmpowerAXは上図のような段階的アプローチを提案します。「第1段階は技術スクリーニングです」とティーツェ氏。「潜在的ユーザーとして技術が自分の用途に適するか見たい場合、幾何学的制約、生産量、部品/機能統合要件などを見ます。全メンバーで合意した約15パラメータ（比強度、比剛性など）のプリセットリストに基づき、用途要件に応じて各技術の適合性を事前特定します。したがって、材料/技術プロバイダーと協力して標準パラメータデータを取得し、事前に評価します。材料/技術プロバイダーのデータシートから標準パラメータデータを取得して作業します。例えば利用可能な10ソリューションから、第1段階で3つ程度に絞り込み、それらを比較評価するデータを見始められます。」

次の段階は固有要件の評価。例えば鉄道や航空機内装用途なら、火災・煙・毒性（FST）性能パラメータが必要になります。「その後、各技術を自分の用途で動作させるためにカスタマイズが必要か、それに要する労力を決定します。」

目標は、与えられた用途のファイナリスト技術が技術的実現性の観点からどう評価されるか、産業利用への技術移転にどれだけの作業/時間/コストがかかるかを定量化することです。「これら評価段階を経れば、各技術を自分の用途で可能にするために必要なステップが容易に理解できるはずです」とティーツェ氏。「技術プロバイダーにとっては、新市場への技術移転が高速化し、投資と労力が削減されます。また、自社技術の強みを活かせる真のビジネスケースが特定されます。」

標準化と資格認定

EmpowerAXビジョンのもう一つの鍵は、標準化と資格認定を通じてアディティブ・エクストルージョン技術を成熟させることです。「既存規格を調査し、どれがこれら技術に機能するかを検討しました。例えばASTM、ISO、VDI（ドイツ政府規格）内で」とティーツェ氏（上記アニメーション画像参照）。「標準試験の何が機能し、何が機能せず、何が修正必要かを見ます。これは多くの企業が避けたい作業です。面倒で時間がかかり、高コストだからです。業界全体がこれら努力を複製しない方がはるかに良いです。したがって、業界からの幅広いインプットと業界への透明性を備え、より速い規格確立を支援することが狙いです。」

「また、特定アディティブ・エクストルージョン技術を他プロセスステップと組み合わせる場合、統合と品質保証規格の実装が必要です」とティーツェ氏。「これには非破壊検査（NDT）、センサー、ソフトウェアが含まれます。可能な欠陥とプロセス偏差のカタログをすでに編纂し始めています。どう回避・検知するか？ 発生時の救済策は？ 可能なNDTとプロセス監視オプションのデータベース構築を開始できます。」

EmpowerAXのタイムライン

「最初の目標は、現在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」とティーツェ氏。「システムのスペクトラムをさらに広げようとしているのではなく、何が存在し、どう使用できるかを示したい。体系的な試験と評価を通じて改善がもたらされることも期待しています。現在の技術で何が可能かを示すことにもメリットがあります。さらに、障害を特定することで、それらをどう克服するか議論でき、更なる改善と技術成熟につながります。」

「アディティブ・エクストルージョンは、オートクレーブや樹脂インフュージョンを伴うプロセスより、複合材初心者企業にとってより容易な道になり得ます」とティーツェ氏。「より産業的な成果に適しているとも見ています。EmpowerAXは産業用途を見据え、アディティブ・エクストルージョン複合材の利用を妨げてきた障害に対処することでもあります。例えば現在の欠点にはプロセス再現性と安定性があります。技術が比較的速く市場に押し出されたため、広く使用できる成熟度に達していない領域があります。それが我々の取り組みです。何ができ、何が必要かを示し、協力してその作業を完了し、技術と産業での成功事例の両方を前進させます。」

詳細はwww.empowerax.deでご確認いただけます。