DLR 推出 EmpowerAX 以实现连续纤维 3D 打印的工业化

德国航空航天中心 (DLR) 在从太空运载火箭和飞机到数字技术和下一代移动性的方方面面都处于领先地位。在复合材料方面，从热塑性复合材料焊接、初级飞机结构液态树脂灌注到复合材料4.0智能生产系统等多项技术领先。

现在，DLR 复合材料结构和自适应系统研究所（德国布伦瑞克）旨在通过为增材挤出技术用户和供应商建立一个以需求为导向、行业多元化的全球平台 EmpowerAX，帮助连续纤维复合材料的 3D 打印工业化。

DLR 在 ITHEC 2020 上讨论了 EmpowerAX，我随后在 DLR 与 Xenia Stumpf 和 Maik Titze 进行了讨论。在这里，我分享我所学到的。

复合材料 3D 打印中直接纤维集成的概念。信息来源：Alexander Matschinski，AFP 和 AM 虚拟研讨会，慕尼黑工业大学，碳复合材料 (LCC) 主席，2020 年 9 月。照片来源：“连续纤维 3D 打印：景观”，CW 2020 年 10 月。

为什么是添加剂挤出？

“我们正在开发具有热塑性塑料的纤维浸渍技术，以实现更具工业化、更具成本效益的生产，”布伦瑞克 DLR 复合结构和自适应系统研究所的增材制造负责人 Maik Titze 解释说。 “这包括设计我们自己的工业打印头以及开发用于分析和测试材料和工艺的方法。”他指出，使用连续纤维的添加剂挤出不仅提供了更高的强度和刚度，而且还提供了集成传感和电气功能的可能性。增材挤出将热塑性塑料和连续纤维相结合，打造多功能结构，避免高模具成本、提高生产效率并实现新设计。

“增材制造不会取代所有传统的复合材料工艺，”Titze 承认，“但它可以与自动纤维铺放 (AFP) 或纤维缠绕等工艺相结合，以提供新颖的解决方案和价值。因为我们只使用连续纤维 3D 打印，EmpowerAX 非常专注，这将使我们能够获得高水平的结果。但在增材挤出领域，EmpowerAX 是技术中立的。我们不会推动任何特定的技术。”

全球化、多元化的平台

“目前，很难理解这些技术中的哪些适合您的应用，以及需要采取哪些措施使其适应您的工业环境和应用，”Titze 继续说道。 “我们的目标是查看可用的范围，包括供应商和用户，并建立一个跨越市场领域的多元化平台，例如，包括航空航天、汽车、医疗和工业。这个平台 EmpowerAX 然后提供了进行中立技术评估的能力，我们将与行业合作制定标准化和认证措施，以帮助提高使用此类技术的便利性。我们的想法不是与技术提供商和用户一起制定新规范，而是就如何进行技术评估以及使用哪些性能指标达成一致。”

EmpowerAX 会员资格是自愿的和全球性的。英语是用于工作的语言。目前有30多个成员，包括技术提供商和技术大用户。 “我们每年由内部资助最多 6 名员工，”Titze 说。 “他们将支持维护这个全球平台所需的工作。我们的成员已同意在我们不会与公众共享信息而仅与 EmpowerAX 成员共享信息的基础上进行合作。目前会员是免费的，但我们目前只接受已经参与连续纤维增材挤出的组织。 2021 年 5 月之后，我们将进一步开放会员。”他指出，唯一的另一个要求是“你必须愿意分享信息并做出贡献。你不能简单地接受。没有被动成员资格。”

技术筛选阶段

Titze 说，这个想法不仅是将技术转移到已经使用复合材料的行业，而且还将使用 EmpowerAX 作为扩大复合材料市场和应用的推动者。 “例如，”他说，“在医疗行业，必须满足哪些特殊要求？需要做什么来满足这些要求？您如何确保您需要的质量，以及如何在工业生产环境中实现这一点？”

为了回答这些问题，EmpowerAX 提出了一种分阶段的方法，如上图所示。 “第一阶段是技术筛选，”Titze 说。 “如果您作为可能的用户想要了解一项技术是否适用于您的应用，那么我们会考虑几何限制、生产量和零件/功能集成要求等。我们同意所有成员的预设列表大约 15 个参数，例如比强度和刚度，然后根据您的应用需求预先确定不同技术的适用性。因此，我们与材料/技术供应商合作，获取标准参数数据并提前评估。 然后我们使用材料/技术供应商的数据表来获取标准参数数据。因此，例如，在 10 个可用的解决方案中，在第一阶段，您可以向下选择大约三个，然后开始评估数据以比较这些。”

评估特定要求是下一阶段。例如，如果此应用用于铁路或飞机内饰，则需要有关火、烟和毒性 (FST) 性能的参数。 “在此之后，”Titze 说，“我们将定义是否需要定制才能使每项技术适用于您的应用程序，并确定所需的工作量。”

目标是量化特定应用的入围技术如何在技术可行性方面进行衡量，以及将技术转移到工业用途需要多少工作/时间/成本。 “在完成这些评估阶段之后，您应该很容易理解需要哪些步骤才能使每种技术适用于您的应用，”Titze 解释说。 “对于技术供应商来说，这会加快技术向新市场的转移，并减少他们的投资和努力。它还确定了非常适合他们的技术的真实商业案例，以及他们的优势所在。”

标准化和资质化

EmpowerAX 愿景的另一个关键部分是通过标准化和认证来帮助成熟的添加剂挤出技术。 “我们已经研究了哪些标准适用于这些技术，例如 ASTM、ISO 和 VDI（德国政府标准），”Titze 说（见上图）。 “因此，它正在研究标准测试，哪些有效，哪些无效以及需要进行哪些修改。这是大多数公司希望避免的工作，因为它乏味、耗时且昂贵。如果每个人都没有复制这些努力，那么对行业来说会好得多。因此，我们的目标是帮助实现更快的标准以提高成熟度，但要使用来自的广泛输入 行业和透明度到 行业。”

“此外，如果您将特定的添加剂挤出技术与其他工艺步骤相结合，您将需要将其整合并实施质量保证标准，”Titze 指出。 “这包括无损检测 (NDT)、传感器和软件。我们已经开始编制可能的缺陷和流程偏差的目录。您如何避免和检测这些？如果它们发生，您可以做些什么来补救？然后，我们可以开始组装可能的 NDT 和过程监控选项的数据库。”

EmpowerAX 的时间表

“我们的第一个目标是为当今工业上可用的东西提供一个框架，”Titze 说。 “我们还没有试图进一步开放系统的范围，而是想展示那里有什么以及如何使用这些技术。我们相信一些改进将通过系统的测试和评估来实现。我们还看到了能够展示当前技术的可能性的好处。此外，通过识别障碍，我们可以讨论如何克服这些障碍，从而进一步改进和成熟技术。”

“与使用涉及高压釜或树脂灌注的工艺相比，我们认为添加剂挤出对于复合材料的新公司来说是一种潜在的更简单的途径，”Titze 指出。 “我们还认为它可以很好地适应更多的工业成果。 EmpowerAX 还关注工业应用并解决迄今为止阻碍使用添加剂挤出复合材料的障碍。例如，当前的缺点包括工艺可重复性和稳定性。该技术推向市场的速度相对较快，因此有些领域还没有达到可以广泛应用的成熟度。所以，这就是我们正在做的。我们的目标是展示可以做什么和需要做什么，然后协同工作以完成这项工作，同时推进技术以及工业中的成功最终用途。”

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