不連続熱可塑性コンポジット技術で航空宇宙製造業を変革するグリーン・ツイード社の取り組みをご紹介します。
アビエーション・ウィーク・ネットワークは、160年の歴史を持ち、業界の重要な性能要求に信頼できるソリューションを提供する部品メーカー、グリーン・ツィード・アンド・カンパニーのトラビス・ミース氏とセバスチャン・コーラー氏との対談を開催しました。
エキスパートとの出会い
トラビス・ミースは、グリーン・ツイードの構造用複合材料の熱可塑性プラスチック製品マネージャーで、チョップドファイバー用途が専門。製品戦略開発と技術ロードマップの実行を主導し、新興市場への熱可塑性コンポジットの拡大を推進。
セバスチャン・コーラー（Sébastien Kohler）は、グリーン・ツイード社のサイエンティストで、構造・エンジニアリング複合材料を研究している。新複合材料、新工法、新部品開発を開発する部門横断チームの一員で、特に航空宇宙産業に重点を置いている。
ウェビナーを見る変貌する航空産業への熱可塑性プラスチック複合材料の採用
Q AW: 航空宇宙製造における不連続長繊維（DLF）複合材料の利点は何ですか？
A TM: GTのXycomp不連続長繊維（DLF）熱可塑性コンポジットの主な利点の一つは、高度に自動化された圧縮成形プロセスであり、航空宇宙用途の複雑な形状と大量生産の両方をサポートします。当社では、GD&T規格に準拠した高品質の部品を繰り返し生産することができ、多くの場合、複数の部品を同じパレットで加工することで、オペレーターの作業を最小限に抑えながらスループットを向上させることができます。グリーン・ツィード社では、材料チャージの計量、プレスと金型のハンドリング、自動ファイバー配置（AFP）補強やコボットによるバリ取りなどの高度な機能など、このプロセス全体にわたってさらなる自動化を導入しています。これにより、品質、スループット、信頼性を向上させながら、手作業を減らすことができます。アルミ部品と比較すると、この工程では、アルミ部品がどの程度最適化されているかにもよるが、30～50％の軽量化が可能であり、高度な重切削部品と比較してもコスト競争力を維持できる。
A： DLF複合材料は、形状は複雑だが機械的特性は低い射出成形と、特性は優れているが複雑な形状のドレープ性に限界がある従来の連続繊維複合材料の中間的な役割を果たします。DLFは通常、準等方性レイアップの約75％の剛性と半分の強度を実現します。このため、複雑な形状の金属部品、特に機械加工されたアルミニウム部品の代替に最適です。この利点は、多くの典型的な航空宇宙グレードのアルミニウム合金の微細構造が熱に非常に弱いため、特定の用途ではさらに大きくなる可能性がある。これは大幅な強度低下につながりますが、当社のDLFは使用範囲内でより安定しており、少なくとも180℃までの連続的な高応力に耐えることができます。場合によっては、チタンやスチールの部品に置き換えて、さらに大幅な軽量化を実現することもあります。
Q AW：具体的な使用例を見てみましょう。金属前縁を持つDLFステーターベーンの重量と性能は、オールアルミベーンと比較してどうでしょうか？
A SK:ビジネスジェットのアウターガイドベーンという複雑な形状の部品が、DLFの優れた用途であると考えました。これらの部品は非構造的で、完全に浮いており、足と一体成形することができます。しかし、耐ひょう衝撃性には大きな課題がありました。高速雹衝撃荷重ケースは、衝撃点下の局所的な破砕と羽根の3点曲げの両方を伴うため、翼型プロファイルの厚さが非常に重要になります。ブレードの厚みを増すことで耐ひょう衝撃性を向上させることは可能ですが、固定されたジオメトリー要件のため、これは実現不可能でした。DLFと連続繊維複合材料の両方を用いた様々なハイブリッド化アプローチを模索した後、優れた保護性能を発揮する金属製前縁を開発しました。私たちは、スイスにある独自の雹衝撃試験装置による広範な試験を通じてこれを検証しました。その結果、金属製リーディングエッジとネットモールド・ガイドベーンを組み合わせたコ・モールド・デザインは、大幅な軽量化を実現する費用対効果の高いソリューションを提供します。
A TM：各エンジンには通常、ファンブレードの真後ろに55～60個のベーンが配置されているため、これらの性能要件は特に重要です。そのため、ベーンには大きな衝撃と耐久性が要求されます。私たちは、ザイコンプのDLFテクノロジーの長所と限界の両方を認識しています。だからこそ、私たちは継続的に技術革新を行い、これらの課題のいくつかに対処するDLF 2.0に向けて取り組んでいるのです。
A TM：航空宇宙分野に新素材を導入する場合、認証が大きな障壁となることがあります。材料は完全に特性化されていなければなりません。そのため、私たちは新しい材料で実験するのではなく、徹底的にテストされ検証された材料に取り組んでいます。このことは、先進航空モビリティ（AAM）のような分野では不可欠であり、投資家のコミットメントやタイトなタイムラインにより、企業は完全に検証された材料ソリューションを必要としています。グリーン・ツィードの主な利点のひとつは、材料の特性評価だけでなく、予測設計解析能力を含む包括的なパッケージを提供することであり、また、実績のある性能履歴を持っていることです。試験シナリオの中で材料がどのような性能を発揮する かを正確に予測できるため、リスクを低減し、スケジュールを 短縮し、お客様のコストを削減することができます。
SK:認証プロセスには、複数のパラメータにわたる広範な試験作業が含まれます。さまざまな環境条件や荷重条件下で、さまざまな材料バッチや部品構成を用いて、クーポンを用いた包括的な試験を実施します。DLFは部品の厚みを変化させたり、複雑なリブ補強を組み込んだりすることができるため、さまざまな材料の厚みにわたる性能の特徴づけも行っています。その結果、長時間の試験を伴う疲労特性評価を含め、それぞれ5～7個のサンプルで構成される約200のパネルという、広範な試験マトリックスができあがりました。この材料特性と性能データの広範なデータベースは、顧客にとって非常に貴重なものです。なぜなら、顧客は自社の認証プロセスに当社の許容値データを使用できるため、自社でこの試験を複製する必要がなくなるからです。
Q AW： グリーン・ツイード社の経験に基づくと、熱可塑性コンポジットのリサイク ル性にはどのような配慮が必要ですか？
SK:認証プロセスには、複数のパラメータにわたる広範な試験作業が含まれます。さまざまな環境条件や荷重条件下で、さまざまな材料バッチや部品構成を用いて、クーポンを用いた包括的な試験を実施します。DLFは部品の厚みを変化させたり、複雑なリブ補強を組み込んだりすることができるため、さまざまな材料の厚みにわたる性能の特徴づけも行っています。その結果、長時間の試験を伴う疲労特性評価を含め、それぞれ5～7個のサンプルで構成される約200のパネルという、広範な試験マトリックスができあがりました。この材料特性と性能データの広範なデータベースは、顧客にとって非常に貴重なものです。なぜなら、顧客は自社の認証プロセスに当社の許容値データを使用できるため、自社でこの試験を複製する必要がなくなるからです。
A TM：私たちは現在、AAM企業や大手航空宇宙OEMと共同で、リサイクル可能な選択肢を検討するための予備作業を行っています。私たちは、スクラップや廃棄物、あるいは退役した航空機から少量のリサイクル材料を試験し、私たちの成形プロセスとの適合性を評価するとともに、適切なレシピと手順を開発しています。DLFと連続繊維複合材料の両方でさまざまなハイブリッド化アプローチを模索した後、私たちは優れた保護を提供する金属製の前縁を開発しました。私たちは、スイスにある独自の耐雹衝撃試験装置による広範な試験を通じて、これを検証しました。その結果、金属製前縁とネット成形ガイドベーンを組み合わせた共成形設計は、大幅な軽量化を実現するコスト効率の高いソリューションを提供します。当初はエンジン1基あたり4～6ポンドでしたが、最新バージョンでは8～10ポンドになりました。A TM：各エンジンには通常、ファンブレードの真後ろに55～60個のベーンが配置されているため、これらの性能要件は特に重要です。このため、ベーンにはかなりの衝撃と耐久性が要求されます。私たちは、ザイコンプのDLFテクノロジーの長所と限界の両方を認識しています。そのため、これらの課題のいくつかに対処するDLF 2.0に向けて、継続的な技術革新に取り組んでいます。
Q AW：航空宇宙分野における新しい熱可塑性複合材料やプロセスに関連する規制や認証の課題にはどのようなものがありますか？
A TM：航空宇宙分野に新素材を導入する場合、認証が大きな障壁となることがあります。材料は完全に特性化されていなければなりません。そのため、私たちは新しい材料で実験するのではなく、徹底的にテストされ検証された材料に取り組んでいます。このことは、先進航空モビリティ（AAM）のような分野では不可欠であり、投資家のコミットメントやタイトなタイムラインにより、企業は完全に検証された材料ソリューションを必要としています。グリーン・ツィードの主な利点のひとつは、材料の特性評価だけでなく、予測設計解析能力を含む包括的なパッケージを提供することであり、また、実績のある性能履歴を持っていることです。試験シナリオの中で材料がどのような性能を発揮する かを正確に予測できるため、リスクを低減し、スケジュールを 短縮し、お客様のコストを削減することができます。
Q AW：グリーン・ツイード社の経験に基づくと、熱可塑性コンポジットのリサイク ル性にはどのような配慮が必要ですか？
A TM：現在、AAM企業や大手航空宇宙OEMとともに、リサイクル可能な選択肢を検討するための予備的な作業を行っています。スクラップや廃棄物、場合によっては退役した航空機など、少量のリサイクル材料をテストして、当社の成形プロセスとの適合性を評価し、適切なレシピと手順を開発しています。興味深いことに、AAM企業の中には、純粋なコスト面だけでなく、リサイクル素材の環境面にも価値を見いだし始めているところもある。まだ初期段階ではあるが、このことは、航空宇宙用途におけるリサイクル可能な材料の広範な価値提案に対する認識の高まりを示唆している。
A： 熱可塑性プラスチック複合材料は、理論的には再溶解によるリサイクルが可能ですが、航空宇宙分野での実用化にはいくつかの課題があります。特にPEEKやPEKKのような高価値の高温ポリマーはそうである。これらの材料をリサイクルするビジネスケースはまだ完全に定義されていないが、その主な理由は、すでに高価な材料をリサイクルした場合の割高な価格設定を正当化するのが難しいからである。リサイクル素材は、特に航空機の構造部品に新たな認証上の課題をもたらす。このため、非構造内装部品や、スポーツ用品のような航空宇宙以外の用途では、リサイクル素材の格下げがしばしば行われる。パタゴニアはすでに、廃棄物をリサイクルする産業用途や医療用途で、このような活動を支援している。将来的には、政府の規制やインセンティブが循環型サプライチェーンの開発を促進し、メーカーがリサイクル材料を認定し、社内のリサイクルの流れを定義することを余儀なくされるものと期待している。パタゴニアの技術力は、業界がこうした熱可塑性複合材料のリサイクル・ソリューションを開発するのを支援するのに適している。
160年以上にわたる熱可塑性プラスチックソリューションのイノベーター：
ファイバーフォームと圧縮成形技術への革新的アプローチ：
NIARの支援によるIE効果的な材料特性評価と認証：