新しい産業分野が生まれ、既存の産業分野がより高いレベルの効率性を求めるようになると、腐食、軽量化、燃費、部品の小型化などの問題に対する有効な解決策として、複合材料部品に駆られるようになる。従来、これらの部品は熱硬化性コンポジットで作られていた。これらの部品がより小さく、より複雑になるにつれて、異なるタイプの複合材ソリューションの必要性が高まり、熱可塑性複合材が使用されるようになりました。熱可塑性コンポジットで作られた部品は、より複雑な設計が可能で、より大量に生産する部品の製造をスケールアップすることができるのです。

航空宇宙産業に端を発した複合材料の革新は、現在、他の産業や用途にも広がり始めている。2022年以降、熱可塑性コンポジット技術によって影響を受ける、あるいは可能になるであろう5つの産業分野を見ていくことにする。

アーバンエアモビリティ（UAM）

 

航空宇宙産業は、複合材料の技術革新で業界をリードしてきました。複合材料は、性能、ライフサイクル、および製造上の利点が認められているため、新しい航空宇宙プラットフォームで金属に取って代わり続けており、エアバスA350とボーイング787は、複合材料の含有率が50％を超える民間航空機の例です[1, 2]。複合材は、軽量化、設計の自由度、耐用年数からくる費用対効果に基づき、大型の一次および二次構造用途によく使用されています。一般的な例としては、航空機の翼、風力タービンのブレード、自動車のシャーシなどがあります。これらの部品は、従来、熱硬化性複合材料で作られていた。

世界中の大都市圏における現代の交通渋滞と典型的な通勤手段という課題は、ここ数十年の間に悪化の一途をたどっています。UAMのパイオニアたちは、2次元で考えるのではなく、3次元で考え、大都市圏の道路にかかる圧力を軽減しようとしているのです。

現在の最新鋭の民間旅客機に搭載されている航空宇宙技術を、都市環境向けの小型パッケージに落とし込むことは、簡単なことではありません。重量、騒音、安全性、性能など、すべてが重大な検討事項です。現代の航空機は、長年にわたり熱硬化性複合材構造を利用してきました。UAMのメーカーは、伝統的な熱硬化性複合材を設計に取り入れると同時に、より新しい熱可塑性複合材を採用しています。

熱硬化性コンポジットの典型的な用途は大型の部品ですが、小型の相互接続部品は依然として金属用に設計されています。金属製の部品は、その複雑さと体積から、金属から従来の熱硬化性コンポジットに移行するのが難しい用途となっています。そこで、熱可塑性コンポジットが軽量化と強度をもたらし、さらに複雑な形状を作ることができるようになります。グリーンツイードのXycomp® DLFのような熱可塑性コンポジットプラットフォームを持つ企業は、航空宇宙分野でこの課題に取り組んでおり、今後も航空宇宙分野に適した熱可塑性コンポジット製品でUAM市場セグメントの複雑形状金属の代替という認識を変えていくでしょう。

宇宙利用

 

この10年間、宇宙産業にとって初めての出来事が数多くありました。中でも「SpaceX社のFalcon 9ロケットの第1段が発射場付近で地球への帰還に成功」[3]したことは記憶に新しいところです。再利用可能なロケットステージのような画期的な技術は、民間宇宙企業によって開拓され、宇宙産業を新たな高みへと押し上げている。再使用型ロケットは、LEO（地球低軌道）に宇宙船を打ち上げるコストを劇的に下げ、これによって、これまでにない規模の衛星コンステレーションのビジネスケースが可能になり始めているのです。衛星や衛星コンステレーション（システムとして一緒に動作する衛星の大きなグループ）は新しいものではありませんが、これらの新しいコンステレーションの規模と量は、過去に行われたものを凌駕しています。ライドシェアリング（ロケットの貨物エリアを購入可能なセクションに分割し、複数の企業が1つのロケットを共有すること）の登場は、小規模な組織や大学が独自の衛星を軌道に打ち上げられるようにするための業界を開拓しました。最近では、2021年1月にスペースX社の「ファルコン9ロケットが143機の宇宙船を軌道に乗せ、一度に打ち上げた宇宙船の数で世界新記録となった」[4]という。

これらの衛星には、打ち上げ時の重量を減らし、衛星の寿命を延ばすために、複合材料のような先端材料が使用されています。複合材料は、ロケットのペイロードに追加する衛星を可能にする軽量化、組み立て時間の短縮とCTE（熱膨張係数）の均一化のための部品の統合、同じサイズまたはより小さいサイズで新しい構成を実現するための機能の成形能力といった独自の価値を提供します。太陽電池アレイ、アンテナ、宇宙船/ペイロード構造、電力システム、推進システムなど、人工衛星のさまざまな部品に複合材を使用することで、メリットが得られます。

今後10年間で、宇宙探査の第一号となるものは何でしょうか？最初の商業宇宙旅行、最初の商業宇宙ステーション、そして最初の火星への人類到達などでしょうか？時間が経たなければわかりませんが、熱可塑性コンポジットがその一翼を担う可能性は非常に高いでしょう。

ロボティクス

 

ロボットテクノロジーは、航空宇宙、防衛、工業生産、石油・ガス、医療など、多くの産業や用途に影響を与えています。これらのロボット技術の応用には、人間の同僚と並んで働くコ・ボット、人間がコントロールするロボットが極限状態に入ること（人間がしなくても済むように）、これまで人間にはできなかった仕事をする無人車両などがあります。ロボット工学は、あらゆる産業のあらゆる生活に影響を与える可能性を持つ、まさに革命的な技術なのです。

ロボットの存在感が増すにつれ、用途によってはロボットの重量、積載重量、バッテリー寿命、安全性が重要な設計要素となっています。そこで、高性能の熱可塑性コンポジットが価値を発揮するのです。一般的に、このようなロボットのサイズと複雑さは、特に必要な体積を考慮すると、従来の熱硬化性コンポジットには適しません。

複雑な形状の金属を熱可塑性樹脂に置き換えることで、ロボットの重量を大幅に削減し、より重いペイロードの運搬やバッテリー寿命の延長に役立てることができます。このような利点は、運用の効率化に役立ち、時にはロボット工学を可能にする要因にもなります（特定の用途において）。グリーンツイードのXycomp® DLF（不連続長繊維）熱可塑性コンポジットは、複雑な形状の金属部品と置き換えることで、軽量化、部品の統合、モールドイン機能などを実現することができます。

水素経済

 

新しい水素経済は、エネルギーの世界を破壊し、変える可能性を秘めています。しかし、水素経済が意味をなすのは、グリーン水素をベースにしている場合だけです。再生可能エネルギーの台頭、政府や民間企業によるネット・ゼロ・エコノミーの推進、そしてグリーン水素の可能性、これらすべてが水素経済の出現に一役買っているのである。現在、水素はロケット燃料、工業プロセス、化学製造に利用されているが、将来的には輸送や発電のためのクリーンな燃料源として利用される可能性がある。 水素を処理するためには、単にインフラを変えるだけでなく、さまざまな課題があります。

インフラ整備の最大の課題は、水素を生産地から使用地まで移動させることです。水素は低分子ガスであり、従来の遠心圧縮機では、金属の脆化の問題や、圧力比が低いため、従来の金属製インペラでは先端速度の制限で到達できなかった回転数の上昇が必要となり、純粋な水素を輸送することができない。

グリーン水素製造から水素エネルギー貯蔵、燃料電池電気自動車に至る、全く新しい水素サプライチェーンの開発により、高純度水素を効率的に扱える次世代遠心式コンプレッサの必要性が高まっています。これらの新しい遠心圧縮機は、高性能な熱可塑性コンポジット・ソリューションによって実現されるでしょう。

熱可塑性樹脂複合材ラビリンスシールは、遠心圧縮機の効率を1％以上向上させ、かつ腐食や金属脆化の影響を受けないという特徴があります。高強度対重量比の熱可塑性コンポジットで作られたインペラは、インペラの重量とローターへのストレスを軽減し、より高い回転速度を可能にすることで、遠心圧縮機による高純度水素の処理を可能にする可能性があります。これらの技術により、エネルギー企業や政府が化石燃料に代わる効果的なエネルギーとしてグリーン水素の利点を実現するために必要な機器をOEM提供することが可能になる。

半導体製造

 

半導体業界では、在宅勤務の出現やCOVID-19によるサプライチェーンの課題など、パンデミック時には信じられないほどの需要と供給のプレッシャーがかかっています。ICチップの製造には、エッチング、リソグラフィー、蒸着、ウェーハ洗浄など、多くの工程があります。これらのステップでは、エキゾチックで過酷な化学物質を使用して、今日のレベルのコンピューティングパワーを可能にする複雑なノード構造を作成します。

パターンの微細化に伴い、半導体デバイスの高い歩留まりを実現するために、パーティクルやケミカルの汚染を制御することは、ますます困難になってきています。チャンバーや洗浄工程で使用される部品は、劣化や微粒子を発生させることなく、高温や厳しい化学環境に耐える必要があります。このような状況から、次世代のウェーハプロセス装置に求められる温度や耐薬品性に対応するため、既存の材料を先進の熱可塑性複合材料に置き換えることや、新しい製造方法を採用することが求められています。

参考文献

[1] "Boeing 787 Design Highlights", www.boeing.com, accessed 22 April 2015, http://www.boeing.com/ commercial/787/#/design-highlights/visionary-design/composites/advanced-composite-use/.

[2] Keith Campbell."Airbus to start parts for new A350 XWB in late '09", Engineering News online, 11 May 2009,http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-fornew-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11.

[3] "SpaceX" , britanica.com, accessed October 2021,https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] Michael Sheetz."SpaceX launches a 'rideshare' mission carrying 143 spacecraft, a record for a single launch", CNBC, 24 January 2021,https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.