Arevo 2018: Pionier für Continuous Fiber 3D-Druck in der industriellen Produktion

QUELLE für alle Bilder: Arevo.

CW berichtet seit 2014 über Arevo (Santa Clara, CA, USA). Bekannt für High-Performance Thermoplastpolymere wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polyetherimid (PEI) und Polyphenylensulfid (PPS), war das Unternehmen auch Vorreiter bei Closed-Loop-Robotersteuerung für 3D-Druck, was Faserplatzierung in Z-Richtung und entlang 3D-Kurven ermöglicht. Neu: Direct Energy Deposition (DED) Prozess mit Laserheizung für 100-fache Produktionsgeschwindigkeitssteigerung.

Neuer CEO und Series-B-Finanzierung

Jim Miller trat vor drei Monaten als CEO bei Arevo ein. Er war früher Amazon-Mitarbeiter und acht Jahre bei Google, zuletzt als VP Worldwide Operations. „Ich habe den Großteil meiner Karriere damit verbracht, junge Unternehmen beim Hochfahren zu unterstützen“, sagt Miller. „Arevos Ansatz zum 3D-Druck von Composites begeisterte mich – ich sehe eine riesige Chance, zu verändern, wie die Welt komplexe Strukturen über vielfältige Anwendungen hinweg entwirft und fertigt.“

Das Unternehmen schloss gerade seine Series-B-Finanzierung ab: 12,5 Mio. $, angeführt von Asahi Glass Co. (AGC, Tokio, Japan). „Sie sind der weltweit größte Automobilglashersteller“, so Miller. „Sie haben gute Beziehungen in der Autoindustrie und sehen großes Potenzial für neue Composite-Technologien in Automobilanwendungen.“ Weitere Investoren: In-Q-Tel (Arlington, VA, USA), Sumitomo Corporation (Tokio, Japan) und Leslie Ventures. Miller betont, dass Sumitomo, eines der größten japanischen Konglomerate und führend in Oil & Gas, Arevos 3D-Drucktechnologie über seine industriellen Aktivitäten anwenden will – Bau, Transport, Infrastruktur, Energie.

Arevos DED-Fertigungszellen bestehen aus Industrieroboter, Druckkopf mit Laserheizung und rotierender Bauplattform. Der Druckkopf (rechts bei automatisiertem Schnitt und Neustart) umfasst Thermomanagement und Vision-Systeme für In-situ-Inspektion. QUELLE: Arevo.

Industrielle Produktion thermoplastischer Composites

„Unsere neuen Fertigungszellen nutzen einen Standard-Industrieroboter, eine rotierende Bauplattform und einen Laser zum Heizen“, erklärt Miller. „Wir nennen den Prozess Direct Energy Deposition (DED).“ Innerhalb der lasersicheren Zelle hat der Roboter einen Druckkopf-Endeffektor mit proprietärem Thermomanagement, angepasster Elektronik und Vision-Systemen für In-situ-Inspektion. „Der Prozess ist weitgehend hands-off/lights-out“, sagt Miller. „Diese neuen Zellen erreichen mehr als 100-fache Produktionsgeschwindigkeitssteigerung.“ CTO Wiener Mondesir fügt hinzu: „Der Laser liefert unbegrenzte Energie. Wir können sie kontrollieren und schneller fahren, um industrielle Produktionsraten zu erreichen.“ Miller betont: „Es geht nicht darum, wie schnell Maschinen sich bewegen oder wie viel Material aufgetragen werden kann, weil wir komplexe strukturelle Composites zu ein Viertel der Kosten traditioneller Composites fertigen.“

Nicht-traditionelle Composite-Fertigung – Arevos DED-Prozess ermöglicht laut Berichten Continuous-Fiber-verstärkte thermoplastische Composite-Teile zu ¼ der Kosten traditioneller Composites. (Berechnung basierend auf 1 m Bauteilgröße.)

„Wir streben wirtschaftlich tragfähige Fertigung großskaliger thermoplastischer Composite-Teile an“, sagt Miller. „Wir gehen aus einer nicht-traditionellen Composite-Perspektive an die Fertigung heran.“ Der Druckkopf integriert jedoch Kompaktierungsfähigkeit, und Teile entsprechen weiterhin traditionellen Composite-Qualitätsanforderungen. „Wir erreichen thermoplastische Composite-Teile mit Porengehalt weit unter 1 %“, bezeugt Miller. „Arevo verbessert seinen Prozess kontinuierlich und wird mechanische Eigenschaften für Primärstruktur-Anforderungen in naher Zukunft erfüllen.“

Pathfinder Software

Teil der „nicht-traditionellen Composite-Perspektive“ ist Arevos Investition in digitales Design und Prozesssoftware. „Wir haben einen gesamten Workflow in die Software kollabiert“, sagt Miller. „Sie liefert eine komplette 3D-Analyse des Bauteils und entwickelt die optimierte Faserorientierung mittels Additive FEA (AFEA) Module. Viel unseres Erfolgs wird durch Software und Bauteilsimulationsproduktion getrieben. Wir führen das computergenerierte Design durch unsere Prozesssimulationssoftware – sie zeigt Prozessparameter: Temperaturen, Druckpfad, Verzug und Schwindung des gedruckten Materials sowie Eigenspannungen. Das erlaubt uns, den Prozess wirklich zu verstehen und zu optimieren, um hochwertige Teile zu produzieren.“

Miller verweist darauf, dass gefertigte Bauteileigenschaften innerhalb von 5 % der simulierten Eigenschaften liegen – im Wesentlichen im Messfehlerbereich. Arevo nutzt auch Machine Learning auf einzigartige Weise.

Demonstration der Möglichkeiten

Vor einem Monat präsentierte Arevo auf dem Sea Otter Event (19.–22. April, Monterey, CA, USA) was es für das weltweit erste 3D-gedruckte Fahrrad hält. „Unser Ziel war zu demonstrieren, was Software und Prozess leisten können“, erklärt Miller. „Wir arbeiteten mit dem Coloradoer Industriedesign-Studio Studio West am Kragarm-Rahmen-Design. Studio West ist in der Fahrradbranche bekannt, arbeitet mit Top-Herstellern. Sie gaben uns zunächst ein sehr traditionelles Rahmendesign. Aber wir wollten zeigen, wie Arevo continuous Fasern neuartig einsetzen kann, also iterierten wir weiter.“ Man wollte Steifigkeit und Biegeverhalten optimieren, aber auch neuartige Ästhetik durch Additive Manufacturing demonstrieren. „Wir landeten bei einem sehr einzigartigen Fahrraddesign“, so Miller. Der Rahmen besteht aus continuous 12K CF-Tow und PEEK, Nylon sei aber auch möglich.

Arevos 3D-gedruckter CF-Composite-Fahrradrahmen lässt sich für breites Produktspektrum im Fahrradmarkt adaptieren: E-Bikes, Cargobikes, Liegeräder, Dreiräder, Kinderräder, Fatbikes, BMX, Cruiser u. v. m. QUELLE: Arevo.

Fahrradrahmen sind nicht das einzige Beispiel. „Kleine Robotikfirmen bauen Großrahmen-Roboter, die wir leichtbauen helfen – zu einem Bruchteil traditioneller Materialkosten“, sagt Mondesir. Arevo hebt Laufrad- und Propelleranwendungen hervor mit Vorteilen:

• Bedarfsgerechte Produktion zur Lagerkostenreduktion
• Höhere Effizienz vs. Metallbau
• Beständig gegenüber Betriebsumgebung
• Komplexe Geometrien, die mit Legacy-Fertigung nicht möglich sind.

Weg zur industriellen Produktion

Millers erstes Ziel für 2018: Acht DED-Fertigungszellen installieren und Kapazität für Produktionsbauteil-Backlog aufbauen. „Wir beginnen dieses Jahr mit Volumenauslieferung“, bekräftigt er. Strategische Kunden an Key Applications und Produktentwicklung. „Dritter Fokus: Depositionsprozess weiter verfeinern für höhere Geschwindigkeit bei Erhalt von Qualität und Ausbeute“, so Miller. „Wir demonstrieren auch Teile mit verschiedenen Fasern und Tow-Größen.“ DED-Prozess handhabt variable Tow-Form und -Durchmesser bis 24K Tow. „Wir können mit PEKK, PAEK, PPS und auch Glas- und Aramid-Continuous-Faser drucken“, ergänzt Miller.

Was ist mit Draht- und Faseroptik-Druck für multifunktionale Composite-Strukturen? „Das wäre für uns im Grunde nur eine weitere Faser“, sagt Miller. Demos bislang im Labor. „Wir prüfen IP und haben laufende F&E dazu.“

„Nichts hindert uns an mehreren Tows und/oder Tapes“, so Miller. „Und es gibt keine Größenbegrenzung. Wir fertigen ein 2,5 m × 1,5 m Teil für ein Luftfahrtunternehmen und prüfen Einsatz mehrerer Roboter gemeinsam. DED-Zellen sind modular, sekundäre Operationen wie Finishing für hochwertige Oberflächen integrierbar. Druckköpfe lassen sich auf beliebige Industrieroboter montieren – Technologie integrierbar in bestehende oder völlig neue Prozesse. Arevo ist „nicht im Drucker-Geschäft“, aber diese Anpassungsfähigkeit eröffnet Chancen. 55 Patente erteilt, anhängig oder in Vorbereitung.

Generative Design? Sieht Arevo sich als Player für diesen neuen Design/Fertigungsansatz? „Generative Design unterscheidet sich stark, weil es Designs erzeugen kann, die schwer herstellbar sind, was Kosten treibt“, antwortet Miller. „Unser Ansatz: Optimierung für Fertigung von vornherein einbeziehen.“