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May 13, 2023

パラダイム

3/10/2023 Debra Levey Larson Nuove apparecchiature installate di recente

2023 年 3 月 10 日

デブラ・リービー・ラーソン

最近、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校に新しい装置が設置され、積層造形の最新技術がキャンパスに導入されました。 よく知られているプラ​​スチックや金属の積層造形とは異なり、この機械は航空宇宙構造で使用されるような大型で軽量の構造複合材料を印刷できます。 これは、Continuous Composites 社の社外および学術界に設置される最初の連続ファイバー 3D プリンターです。

創設者のジェフ・バウア工学教授は、「これはパラダイムを変える複合技術です。なぜなら、従来の航空宇宙用複合材料に近い機械的特性を持つ複雑な形状の構造を作成できるからです。現在、高性能複合材料は樹脂を積層することによって作られています」と述べています。 -生地や繊維を手作業で充填し、オートクレーブと呼ばれる圧力鍋で長時間加熱しますが、現在はロボットで繊維を配置し、形状にスナップキュアしてからオーブンで短時間で硬化します。連続繊維の強度のおかげで、我々は現在世界最強の付加印刷複合材を手に入れたと信じていますが、やるべき技術的作業はまだたくさんあります。」

CF3D プリンタには、UIUC とContinuous Composites, Inc. との間の独自の産学連携パートナーシップが締結されています。Baur 氏は、Continuous Composites との契約により、研究室に一部の供給品、技術サポート、およびハードウェアのアップデートが提供されると述べました。 その見返りとして、同氏は「当社が将来の顧客のために改善できるよう、機器の使用経験について無料かつオープンなフィードバックを会社に提供する」と述べた。

空軍で 25 年以上勤務した後、バウア氏は昨年、航空宇宙工学科の複合材加工および積層造形研究室の責任者としてこの学部に加わりました。 彼は、ベックマン研究所の自律材料システム グループの一員でもあります。

「私はこの技術が登場するのを 4 ～ 5 年前に見ていました。ポリマー用添加剤の点で当社がどのような状況にあるのかを知っていましたし、非常に長期間または継続的に行わない限り、成功に必要な機械的特性を得ることができないことは明らかでした。繊維だ」と彼は言った。

Baur 誌と Composite World 誌は両方とも、連続炭素繊維を使用する積層造形企業を調査し、同じ結論に達しました。 「航空宇宙用途の大部分で使用されているような熱硬化性複合材料では、連続複合材料が他の製品に先駆けていました。」 硬化するのに高温と高圧が必要な熱可塑性複合材料とは異なり、熱硬化性複合材料は化学反応を利用して結合されます。 これにより、豊富な化学オプションと特性が提供されるだけでなく、エネルギー使用量が削減され、航空宇宙構造物の「ゆりかご」または耐用年数の始まりにおいて、より持続可能な製造が可能になります。 もちろん、持続性における複合材の最大の影響は車両の軽量化であり、その結果、車両の寿命全体にわたってエネルギー使用量と排出量が削減されます。」

バウア氏は、この新しい技術が「墓場」または部品の耐用年数の終わりにおける持続可能性にどのように対処できるかを示す一例を説明しました。 ほとんどの熱硬化性複合材料は耐久性があるため、樹脂マトリックスから高価な繊維を回収してリサイクルまたは再利用することは困難です。 たとえば、風力タービンブレードのような大型複合構造物の寿命は 30 年で、その後は埋め立て地に埋められます。 「最近エネルギー省から資金提供を受け、ベックマン研究所を通じてUIUCが率いるRE-MATと呼ばれるセンターを通じて、研究者たちは、適切な条件下で解凍して繊維を回収可能にし、樹脂をリサイクル可能にし、その両方を可能にする樹脂分子を設計している。積層印刷複合材料は、これらの新しい材料の評価と開発を加速し、熱硬化性複合材料の循環経済を可能にします。

バウアー氏は、儀式的なテープカットに加えて、UIUC、Continuous Composites、空軍研究所、Arkema、Hexcel、Siemens、Comeau の技術リーダーを一堂に集めたシンポジウムをコーディネートしました。

イベントの主催が鍵でした。 「これは学術界が通常招待される類のものではない」とバウアー氏は語った。 「しかし、シンポジウムには、政府、産業界、学界からの参加がありました。これは、すべての関係者を集めて共通のビジョンに基づいて会話する方法でした。誰もがそれを見たいと思っていました。それはテクノロジーにとって大きな瞬間でした」 。」

Baur 氏によると、CF3D プリンタはさまざまなレベルの研究に使用される予定です。

「新しい繊維、新しい強化材、おそらくは生物由来の繊維があり、それを使って構造複合材を作りたいと考えていると想像してください。この機械はそれを処理できるはずです。まったく異なるレベルで、私たちはこの機械を使用することができます」風洞プロトタイプや宇宙に展開できる構造物のような大きな構造物を作るためです。構造複合材料を使用して印刷すると、プロトタイプは最終構造物に必要な性能レベルにすることができます。」

バウアーにはすでに航空宇宙学生のチームがあり、さまざまなプロジェクトに取り組んでいます。

「イリノイ大学では、産業にとって基礎的かつ影響力のある研究を行うことができる」と同氏は語った。 「私の学生の 1 人は、これらの印刷構造のトポロジー最適化のための新しい方法を開発しています。1 人は、新しい複合材設計を使用して形状変化複合材に取り組んでいます。もう 1 人は、リサイクル可能な熱硬化性複合材を可能にする添加剤樹脂の特性評価に取り組んでいます。そして、ほとんどの学生は、これを使用する予定です」このマシンにはある程度の能力があります。

「将来的には、新しい材料、複合材料の新しい配合、それらの複合材料の新しい設計、適応構造、さらには組み込みデバイスによる多機能性などの複合材料の新しい応用を検討することになります。」