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Nov 30, 2023

カスタマイズされたファイバー配置技術により、カーボンファイバーがより実行可能な選択肢になりました

I progressi nella tecnologia di posizionamento delle fibre su misura hanno reso la fibra di carbonio ancora migliore.

テーラードファイバー配置技術の進歩により、カーボンファイバーはより現実的な主流の選択肢になりつつあります。 リチャード・ハリントン氏が説明するように、より安く、より強力で、はるかに適応性が高いため、製造の可能性は膨大です

効率を高め、パフォーマンスを向上させるには、「軽さ」を加えることが効果的です。 複合材は軽量化の結果を達成するためのファッショナブルな頼りになりましたが、テーラードファイバープレースメント（TFP）プロセスの最近の改良により、強度の向上など、カーボンファイバーの使用によってもたらされる従来の利点がさらに広がりました。 最新の TFP はコストも削減し、複合材料をより幅広い用途に適したものにします。

「自動車業界は、少数の少量用途を除き、生産性が比較的低く、コストが高く、材料の無駄が多く、労働集約的な製造プロセスのため、大規模または複雑な用途の材料として炭素繊維を大規模に採用するには法外であることがわかっています。コンポーネント」とマネージングディレクターのジュリアス・ソビザック氏は説明します。ZSKは、TFP プロセスに革新的な改良を加えたドイツの刺繍機メーカーです。 「TFP は 1990 年代から存在していますが、その利点は材料の配置方法の進歩とその複雑な特性の理解を通じて初めて引き出されるようになりました。」

本質的に、TFP は炭素繊維強化ポリマー (CRFP) 製造に関連する自動化レベルを向上させると同時に、材料の無駄を大幅に削減します。 TFP は当初は魅力的なオプションでしたが、当初は主流の技術となるために必要な生産性レベルを実現できませんでした。 プロセスのアップデートによりこれらの懸念が解決されることが期待されており、航空宇宙、防衛、医療、クリーン エネルギー、スマート衣料品、スポーツ用品のメーカー全体で採用がすでに広がっています。

TFP は、アプリケーションに関して事実上無限の自由を提供し、複合材の利点を目に見える形でもたらします。 たとえば、CRFP は鋼鉄の 10 倍の強度を持ちながら、重量は 5 分の 1 です。 これは、特に自動車と航空宇宙にとって大幅な経済節約につながります。 「独立した研究によると、10% の軽量化により燃費が 6 ～ 8% 向上する可能性があることがわかっています」とソビザック氏は説明します。 「航空宇宙分野では節約効果がさらに顕著で、大手航空会社によれば、自社の航空機から1キロ採取するごとに年間2万米ドルを節約できるという。もちろん、これらのメリットは排出量を継続的に削減するという要件と完全に一致している。」 」

カーボンファイバーの最も明らかな欠点の 1 つはコストです。 従来の製造技術を使用すると、コンポーネントのコストが同等のスチール部品の 20 倍になる場合があります。 また、複雑な形状や荷重に耐える形状にも適していません。カーボンファイバーの物理的特性は、その長さに沿って力が加えられた場合にのみ非常に強力になります。 このため、カーボンファイバーの層はさまざまな角度で適用され、コンポーネントの強度を複数の方向に強化しますが、これは複雑な形状を作るのが難しく、非常に多くの労力を要します。 各層はカーボンファイバーのシートから切り取られ、多くの場合、マトリックス樹脂（いわゆる「プリプレグ」）があらかじめ含浸されているため、高価な材料の無駄が多くなり、場合によっては最大 60% の割合で無駄になります。 TFP はこれらの懸念に直接対処します。

TFP は刺繍ベースの技術を利用して複合材料を製造します。 従来のラミネート工法とは異なり、TFP は、最も強力で一般的に最も手頃な形状の強化材である乾燥繊維から始まります。 プリフォームを作成する前に層を準備する必要がないため、切断段階が完全に排除されます。 繊維を所定の位置に配置し、基層に定期的に縫い付けることにより、TFP 部品の材料廃棄率が 1 ～ 2% 程度になるまで廃棄材料が削減されます。

「TFP の主な利点の 1 つは、複数の層を必要とせずに、個々の繊維を必要に応じて正確に配置できることです。そのため、設計者は、それに作用する力に基づいて構造を最適化するほぼ無限の自由が得られます」と、ZSK の技術者メラニー ホーアー氏は述べています。刺繍マネージャー。 「そのレベルの自動化により、TFP は完全に再現可能になり、寸法、密度、繊維位置の変動が最小限に抑えられ、人的エラーが排除され、一貫した構造性能が保証されます。

「このプロセスを使用すると、基材に一定の間隔で糸を縫い付けることなく、糸の層を堆積させることができます」と彼女は続けます。 「位置を維持するために、層をいくつかの重要な点で固定することができます。これにより、金型に押し込まれるときにプリフォームを複雑な 3D 形状に変形させることができ、その結果、代替の自動化手法を使用して複製するのがほぼ不可能な幾何学形状が得られます。これにより、炭素繊維が可能になります。」従来は鋼鉄やアルミニウムで作られていたサスペンションコンポーネント、ボディ要素、取り付けブラケット、その他の構造物や半構造物品などの軽量で耐荷重性の高いコンポーネントを設計するメーカーにとって、費用対効果の高い選択肢となります。大幅な軽量化が可能です。」

TFP が導入される前は、たとえ複数の層を重ねたとしても、固定された繊維配向で全範囲の荷重条件を満たすことが常に可能であるとは限りませんでした。 各層は、多くの場合プリプレグから個別に切断する必要があるため、かなりの無駄が発生し、非常に労力がかかります。 プリプレグ材料にも独自のニュアンスと参入障壁があります。熱硬化性樹脂の老化を防ぐために低温に保つ必要があり、必要な切断技術は複雑で高価になる可能性があります。 これにより、大量生産の範囲が制限され、最終製品のコストが上昇します。 比較すると、TFP マトリックスの一部として一般に使用される熱可塑性樹脂は室温で保存でき、熱硬化性樹脂と比較して耐衝撃性が大幅に向上しています。

TFP のアクセシビリティの進化をもたらした ZSK のイノベーションの 1 つは、高速ファイバー敷設技術の導入です。 この技術により、固定と糸の方向の変更に重点を置き、最小限のステッチで糸の中間層を極めて迅速に敷設することができます。 次に、最上層を完全にステッチダウンして、下の層を固定します。 これは、すべての層をベース層まで一定の間隔でステッチするよりもはるかに高速であり、TFP に固有の柔軟な製造フットプリントを補完します。

自動化されたプロセスは、糸またはボビンの交換間の切り替えにまで拡張され、拡張性が高くなります。 各 ZSK マシンヘッドは、1 時間あたり 1 ～ 3 kg の炭素繊維プリフォームを置くことができ、それぞれ最大 60,000 本の繊維を含む 2 つのロービングを処理できます。 最大 8 つのヘッドを備えたマシンはコンポーネントを同時に作成して、サイクル タイムを大幅に短縮できます。TFP は単純な概念ですが、改良するのは複雑です。 設計者は、ドレーピング シミュレーション (2D プリフォームを 3D 構造に確実に押し込むために、どこに材料を追加または削除するか) と、最適な歪みと意図した強度を実現するためにどこにどのようにステッチを適用する必要があるかを理解する必要があります。 この複雑さのため、ZSK はヨーロッパと米国シアトルの両方に研究およびトレーニング センターを設立しました。 これらのセンターにより、エンジニアはプロセスに慣れるだけでなく、その重要な可能性をより深く理解できるようになります。

「TFP の原則は、炭素複合材料の製造以外にも適用できます」と Sobizack 氏は結論づけています。 「さまざまな業界において、たとえば、ツインヘッド刺繍機を使用して、電気配線、発熱体、ひずみゲージ、アンテナなどの埋め込みコンポーネントをステッチすることができます。これにより、要素が埋め込まれたスマート テキスタイルのより広範な利用が可能になります。」 RFID コンポーネントなど。複雑な配線システムであっても、次世代の自動車や航空宇宙の内装などの用途に刺繍することができ、その可能性は膨大です。」