未来のコンポジット製造：AFPと積層造形のシナジー

既製CFRP表面とブラケットへの「オーバープリント」（左上）、3Dプリントとフィラメントワインディングなどプロセスのハイブリッド化（右上）、AFP積層板への3Dプリントコアと3DプリントコアへのAFPスキン（右下）、CEAD AM Flexbotによる45度プリント（左下）。写真提供：ミュンヘン工科大学、カーボンコンポジット講座

9月、仮想シンポジウム「FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM」（自動ファイバープレースメント（AFP）と積層造形（AM）を指す）に出席しました。このシンポジウムは、ミュンヘン工科大学（TUM、ドイツ・ミュンヘン）のカーボンコンポジット講座（LCC）が主催し、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）も参加しました。シンポジウムでは、TUMとANUの両方のコンポジットR&D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産業パートナーとの完了・進行中プロジェクトがレビューされました。

TUMとANUの協力は2010年、圧縮天然ガス（CNG）貯蔵タンクを熱可塑性複合材で開発するAutoCRCプロジェクトで始まりました。以来共同R&Dが継続し、オーストラリア研究評議会の先進複合材自動製造センター（AMAC）の設立と、ANUでの3つの主要焦点分野が形成されました：

材料強化
- カーボンコンポジットの機能特性向上のためのナノスケール材料とコーティング
- 熱的・電気的伝導性のためのグラフェン強化プリプレグテープ
レーザーAFP
- フォードとのプロジェクトで複合材強化鋼を開発
- 加熱バイアスのデジタル制御、例：コーナー/3D形状のプロセス安定性
X線CTを用いた高度診断

クラウス・ドレクスラー教授（TUM LCC）は基調講演で、材料押出（MEX、3Dプリント繊維強化複合材で最も一般的なプロセス）とAFP ISC（インサイチュ圧着）の類似点を説明しました：

局所的・反復的な熱処理
層ベース設計と直交異方性材料特性
2Dおよび3Dプログラムドパスへの材料配置と層間熱活性化

ドレクスラー氏は、コンポジットの将来ニーズと、AFPとMEXの組み合わせが如何にソリューションを提供し得るかを論じました。近期的にはツーリング、長期的にはコスト効率と生態学的持続可能性を両立した高性能軽量構造です。

LCCの能力概要として、ドレクスラー氏はMEX装置と積層造形の過去・進行中R&Dプロジェクトを概説しました。

ISC AFPについて、LCCでの最近および進行中の開発には：

圧力容器、水素貯蔵タンクなどの構造物工業化を支援する容器巻き付けヘッド
レーザービーム加熱のクローズドループ制御
流体冷却ローラーによる圧着
ISC最適化のためのテープ特性評価

LCCのMEXと3Dプリント開発は、その後2日間の複数プレゼンテーションでさらに探求されました。

CEADと大規模3Dプリント

ドレクスラー氏の基調講演に続く次のプレゼンテーションは、CEAD（オランダ・デルフト）エグゼクティブディレクターのマールテン・ログテンベルグ氏によって行われました。2014年設立のCEADは、連続繊維積層造形（CFAM）技術に基づく商用システムを、ガントリー型密閉セル（CFAM Prime）とロボットベースシステム（AM Flexbot）の両方で販売しています。LCCは後者を保有し、いくつかのプロジェクトで協力しています（CWのCEADおよびTUM LCCとの取り組みに関する記事参照）。

ログテンベルグ氏のプレゼンテーションハイライトには、CEADのハイブリッドソリューション開発が含まれます。CNCフライス加工、大型加熱プリントベッド（1.2m×3m、1.2m×2m）、加熱回転プリントベッドの統合。さらに大型セルと45度プリント、商用航空機部品の連続オートクレーブ生産用繊維強化ツールのプリントも追求しています。

ログテンベルグ氏は、3Dプリントオートクレーブツールの主な課題の一つは熱膨張であり、4メートルを超えるツールは膨張しすぎてツール設計での十分な補正が困難だと指摘（参考：「ハイブリッド大型積層造形ツーリング」）。提示された解決策は、これまで主に使用されてきたチョップドファイバー強化を、AM Flexbotのようなシステムで堆積される連続繊維に置き換えることです。

この前進の道は、GKNエアロスペース・ミュンヘンのトーマス・ヘルクナー氏による「3Dプリントトラックインテンシファイアによる複合材フラップ生産の導入」プレゼンテーションでも支持されました。これら3DプリントCFRPインテンシファイアは、エアバスA350とA330のCFRP着陸フラップ生産でツーリングとして使用されています。このGKNでの成功プログラムはチョップドファイバー強化を使用しましたが、ヘルクナー氏は更なる開発ロードマップを示し、3Dプリントツーリングでの連続繊維使用、最終的には航空機部品自体への適用を含んでいました。

この前進の道は、LCC研究者パトリック・コンサル氏の最近のCWブログでよく説明されています。

コンサル氏もTUMシンポジウムで発表し、大規模押出ベースAMのプロセス設計を検討。ガラス転移と相転移が、CFAMやAM Flexbotのような3Dプリントシステムで溶融押出されるチョップドファイバー強化ペレットの材料特性で最大の変化を表すことを示しました。

コンサル氏の研究は、ポリマー粘度、押出温度、トルクなどのMEXパラメータがプリントコンポジットの結晶性にどう影響し、それが3Dプリント中の層間溶着能力にどう影響するかを分析しました。この層間結合に加え、コンサル氏はプリント層の繊維配向と残留応力も探求。一つの解決策として、プリント中に基板をレーザーで予熱すること――熱可塑性複合材のISC AFPで今日広く使用されている――を提示。これによりAFPからAMへの知識移転が可能です。初期実験では制御可能なレーザーダイオードリングを使用しました。

コンサル氏の同僚マティアス・フォイヒトグルーバー氏は、プロセス設計と材料特性評価から、コンポジットAMのバーチャルプロセスチェーン開発へと話を進めました。

アレクサンダー・マチンスキー氏は、コンポジットAMへのエンドレスファイバー統合について発表し、以下のチャートを提示。これがCWの次世代補完記事「連続繊維3Dプリント」で使用した修正チャートの基礎となりました。マチンスキー氏は、連続繊維AM構造の設計と、「既製CFRP部品と表面へのオーバープリント」の将来開発についても議論しました。

SGLカーボンのクリストファー・エベル博士による連続繊維の他の興味深い応用も示されました。自動車の鋼製アンダーボディ構造を強化し、部品数を37から9に削減、重量を41%カット。別のコンセプトは、スナップキュアエポキシ樹脂で含浸したトウプレグを用いた3Dワインディングで、荷重最適化構造を実現。このデジタル駆動アプローチは、複雑荷重の簡素化とトポロジー最適化から始まり、自動製造に続きます。結果として得られる部品は、構造物へのインサートのフォームロックを活用し、剛性損失なしで荷重導入を可能にします。最新の3D金属プリントプロセスをこうしたインサートに使用でき、荷重処理効率とコスト削減をさらに最適化できます。

DLRのセバスティアン・ノヴォトニー氏は、熱可塑性複合材の3DプリントとISC AFPの組み合わせについて議論。3Dプリント onto AFP積層板、部分的に開いた3Dプリント構造体へのAFPなど。最初の実験では、既製CFRPスキンへの3Dプリントコア、その後その上へのAFP/テープ積層。試験片を作製し、引張せん断試験でスキン・コア間結合を評価しました。