DLR представляет EmpowerAX: пионерская промышленная платформа непрерывноволокнистой 3D-печати

Немецкий аэрокосмический центр (DLR) лидирует инновации от космических носителей и авиации до цифровых технологий и некстген мобильности. В композитах продвинул широкий спектр технологий: сварку термопластиковых композитов, жидкую смольную инфузию первичных аэроструктур, интеллектуальные производственные системы Composites 4.0.

Теперь Институт композитных структур и адаптивных систем DLR (Брауншвейг, Германия) нацелен на индустриализацию 3D-печати непрерывноволокнистых композитов, создавая спрос-ориентированную, отраслево-диверсифицированную глобальную платформу для пользователей и провайдеров аддитивной экструзии — EmpowerAX.

DLR обсуждала EmpowerAX на ITHEC 2020, я связался с Ксенией Штампф и Майком Тице из DLR. Делюсь изученным.

Почему аддитивная экструзия?

«Мы разрабатываем технологии пропитки волокна термопластиками для более промышленного, стоимостно-эффективного производства», — объясняет Майк Тице, отвечающий за аддитивное производство в Институте DLR. «Это включает проектирование собственных промышленных печатающих головок и разработку методов анализа и тестирования материалов и процессов». Он отмечает: аддитивная экструзия с непрерывными волокнами дает не только повышенную прочность и жесткость, но и возможность интеграции сенсорных и электрических функций. Аддитивная экструзия комбинирует термопластики и непрерывные волокна для создания мультифункциональных структур, избегая высоких затрат на оснащение, улучшая производственную эффективность и позволяя новые дизайны.

«Аддитивное производство не заменит все конвенциональные композитные процессы», — соглашается Тице, «но может комбинироваться с процессами вроде AFP или филаментной намотки для новых решений и ценности. Поскольку мы работаем только с непрерывноволокнистой 3D-печатью, EmpowerAX действительно фокусирован, что позволит достичь высокого уровня результатов. Но внутри аддитивной экструзии EmpowerAX технологически нейтрален. Мы не будем продвигать конкретные технологии».

Глобальная диверсифицированная платформа

«Сейчас трудно понять, какая из этих технологий подойдет для вашего применения и что нужно сделать для адаптации к вашей промышленной среде и применениям», — продолжает Тице. «Наша цель — посмотреть на спектр доступного, включая провайдеров и пользователей, и создать диверсифицированную платформу, охватывающую рыночные секторы: аэрокосмику, авто, медицину, промышленность. Эта платформа, EmpowerAX, дает способность к нейтральной технологической оценке, и мы будем работать с индустрией для разработки стандартизации и квалификационных мер для упрощения использования таких технологий. Идея — не разработать новый стандарт с провайдерами и пользователями, а договориться о том, как проводить технологическую оценку и какие индикаторы производительности использовать».

Членство в EmpowerAX добровольное и глобальное. Английский — рабочий язык. Сейчас 30+ участников: провайдеры технологий и крупные пользователи. «Мы внутренне финансируем до 6 сотрудников в год», — говорит Тице. «Они поддержат работу по поддержке этой глобальной платформы. Участники согласились коллаборировать на основе того, что мы не делимся информацией с публикой, а только с членами EmpowerAX. Членство сейчас бесплатно, но мы принимаем только организации, уже вовлеченные в аддитивную экструзию непрерывных волокон. После мая 2021 откроем членство шире. Единственное другое требование: вы должны быть готовы делиться информацией и вносить вклад. Нельзя просто брать. Нет пассивного членства».

Этапы технологического скрининга

Идея — не только передать технологии индустриям, уже использующим композиты, но и использовать EmpowerAX как эйблер для расширения рынка и применений композитов. «Например, в медицине: какие специальные требования должны быть выполнены? Что нужно сделать для этого? Как обеспечить нужное качество и как достичь этого для промышленной производственной среды?»

Для ответов EmpowerAX предлагает этапированный подход (диаграмма выше). «Первый этап — технологический скрининг», — говорит Тице. «Если вы, как потенциальный пользователь, хотите увидеть, подойдет ли технология для вашего применения, мы смотрим на геометрические ограничения, производственные объемы, требования интеграции частей/функций и т.д. Согласовываем со всеми участниками предустановленный список ~15 параметров, таких как удельная прочность и жесткость, и предварительно идентифицируем пригодность разных технологий в зависимости от требований вашего применения. Поэтому мы кооперируемся с провайдерами материалов/технологий для получения стандартных параметрических данных и их предварительной оценки. Работаем с даташитами провайдеров для получения стандартных параметров. Так, из 10 доступных решений на первом этапе можно отсеять до трех и начать сравнивать данные».

Оценка специфических требований — следующий этап. Например, если применение в ж/д или авиаинтерьерах — нужны параметры пожарно-дымово-токсикологической (FST) производительности. «После этого», — говорит Тице, «определим, нужны ли кастомизации для работы каждой технологии под ваше применение и определим необходимые усилия».

Цель — дать квантификацию того, как финалистские технологии для данного применения измеряются в терминах технологической осуществимости и сколько работы/времени/стоимости займет перенос технологии для промышленного использования. «После прохождения этих этапов оценки должно быть легко понять, какие шаги требуются для каждой технологии для вашего применения», — объясняет Тице. «Для провайдеров технологий это ведет к быстрому переносу на новые рынки и снижает их инвестиции и усилия. Также идентифицирует реальные бизнес-кейсы, хорошо подходящие для их технологий, где у них сильные стороны».

Стандартизация и квалификация

Другой ключевой элемент видения EmpowerAX — помощь в зрелости аддитивной экструзии через стандартизацию и квалификацию. «Мы изучили, какие стандарты существуют и какие могли бы работать для этих технологий, например в ASTM, ISO и VDI (немецкие госстандарты)», — говорит Тице (см. анимированное изображение выше). «Так что смотрим на стандартные тесты: что работает, что нет, какие модификации нужны. Это работа, которую большинство компаний хотели бы избежать, потому что она утомительная, затратная по времени и дорогая. Для индустрии лучше, если все не дублируют эти усилия. Наша цель — помочь достичь более быстрых стандартов для повышения зрелости, но с широким набором входных данных от индустрии и прозрачностью к индустрии».

«Кроме того, если комбинируете конкретную технологию аддитивной экструзии с другими процессными шагами, нужно интегрировать её и внедрять стандарты качества», — указывает Тице. «Это включает НК (NDT), сенсоры и софт. Мы уже начали компилировать каталог возможных дефектов и процессных отклонений. Как их избегать и детектировать? Что делать для ремедиации, если они случаются? Можно тогда начать собирать базу данных возможных НК и опций мониторинга процесса».

Таймлайн EmpowerAX

«Наша первая цель — дать рамку для того, что промышленно доступно сегодня», — говорит Тице. «Мы не пытаемся еще расширить спектр систем, а хотим показать, что есть и как эти технологии могут использоваться. Верим, некоторые улучшения придут просто через систематическое тестирование и оценку. Также видим выгоды от возможности демонстрировать, что возможно с текущими технологиями. Кроме того, идентифицируя препятствия, можем обсудить, как их преодолеть, что даст дальнейшие улучшения и зрелость технологий».

«Мы видим аддитивную экструзию как потенциально более легкий путь для компаний, новых в композитах, versus процессы с автоклавами или смольной инфузией», — отмечает Тице. «Также видим её хорошо настроенной для более промышленных исходов. EmpowerAX также о взгляде на промышленные применения и адресации препятствий, предотвращавших использование аддитивной экструзии композитов доселе. Например, текущие недостатки: повторяемость и стабильность процесса. Технологию толкали на рынок относительно быстро, так что есть области, еще не на уровне зрелости для широкого использования. Именно этим мы и занимаемся. Нацелены показать, что можно сделать и что нужно сделать, а затем коллаборативно завершить эту работу, продвигая и технологии, и успешные конечные применения в индустрии».

Больше информации можно найти на сайте DLR.