コンポジットが金属に勝る3つの用途
何十年もの間、さまざまな種類の金属が、ほとんどの産業で使用されてきました。多くの用途では、プラスチックが金属に取って代わりつつあり、性能上の制約からプラスチックに変換できないものだけが、一般的に金属のままになっています。しかし、金属の強さとプラスチックの利点を併せ持つ素材があります。そのカテゴリーとはコンポジットであり、ここでは3つの具体的な領域を探ります。航空宇宙と、その他の産業における2つのアプリケーションで、熱可塑性コンポジットが高性能なアプリケーションで金属に取って代わられています。
- モビリティプラットフォームの複雑な形状の金属代替のための熱可塑性コンポジット。
- 産業用加工機器の効率化に貢献する熱可塑性コンポジット。
- 整形外科手術時に放射線透過性を発揮する手術器具用の熱可塑性複合材料。
複雑な形状の金属製人工関節の軽量化による機動性の向上
最先端のモビリティプラットフォームには、商用飛行機、アーバンエアモビリティ（UAM）、ドローン、モバイルロボティクス（四足歩行ロボットなど）などがあります。これらのプラットフォームでは、軽量化、複雑な形状の製造の拡張性、腐食の緩和、部品の統合などのメリットがあります。これらの利点は、高性能な複合材料と、生産量の多い部品を製造するための知識と経験を組み合わせることで実現することができます。
多くの金属部品製造は、CNC加工による材料の無駄を伴う減算法を必要とします。材料費と機械加工にかかる時間・エネルギーがかかります。CNCマシンの資本コストは言うまでもありません。複合部品は、最終部品の成形に必要な材料のみを使用し、ネット成形技術により、材料の無駄はほとんどなく、後処理も最小限で済みます。金属部品の場合、通常、ハードウェアや機械加工された機能で接続された複数の部品が必要です。ネットモールドでは、これらを排除することができ、部品の統合により、組み立て時間の短縮、BOMの縮小、故障箇所の少ないシンプルな設計が可能になります。
グリーン・ツイード社のXycomp® DLF®材料と製造能力で、複雑な形状の金属代替能力を発揮してください。熱可塑性炭素繊維強化ネット／ニアネット圧縮成形部品は、射出成形プラスチックに対する性能を向上させ、金属代替品と同じ用途性能を実現します。グリーンツイードは、設計、FEA、試験、評価、コンカレントエンジニアリングを含む非金属ソリューションの共同開発におけるフルサービスパートナーとしてのアプローチと、プロセス全体における製造自動化の活用により、製造規模の拡大を可能にしながら、これらすべてを実現しました。
遠心ポンプの効率と信頼性を向上させる。
遠心ポンプでは、回転部と固定部の緩衝材として摩耗材が使用されます。歴史的に見ると、これらの部品は金属製であった。2003年以降、非金属材料がこのような用途に適した摩耗材料としてAPI規格610に認定されました。複合材の摩耗部品は、金属製の部品よりも小さなクリアランスで取り付けることができます。クリアランスが小さいと、2つの異なる利点があります。
- まず、クリアランスを小さくすることで、プロセス媒体の再循環や逃亡を抑制し、装置のスループットや効率を向上させることができます。
- また、クリアランスが小さくなることで、シャフト周辺の流体圧力が高まり、センタリング効果によりシャフトが安定し、システムの振動が低減するため、機器の信頼性が向上します。
なぜ、そのような利点が重要なのでしょうか？遠心ポンプは、装置内の固定要素と回転要素の間に流体膜があるなど、最適な状態で動作するように設計されています。しかし、予期せぬ事態が発生し、潤滑油のレベルが低下することがあります。このような事態は、過剰摩耗、ポンプシャフトの損傷、重要部品のカジリ、さらにはシャフトと金属摩耗部品の溶接によるポンプの完全な焼損につながる可能性があります。このような事態が発生すると、生産が遅れたり、停止したりすることもあります。
グリーンツイードの摩耗複合材料は、優れた摩擦・摩耗特性を持っているため、このような事象でも生き残ることができ、極端な場合には犠牲部品として機能することで、ポンプハードウェアの損傷リスクを軽減することができます。回転部品と固定部品の間の適切な動的クリアランスは、遠心ポンプ部品の性能と寿命の重要な要素です。ドライラン、耐摩耗性、耐侵食性など、どのような用途で材料を選択する場合でも、グリーンツィードは実績あるソリューションのポートフォリオを用意しています。
整形外科手術のための放射線透過性外科器具：
年間280万人以上がケガで入院しており[1]、2020年の米国における死亡原因の第4位は、心臓病、がん、COVID-19に次いで事故（不慮のケガ）であった[2]。事故によって骨折することがありますが、これは整形外科的外傷に分類されるでしょう（他の骨折、断裂、骨折などの中で）。大きな骨（大腿骨や骨盤など）を修復する場合、外科医は骨を固定し固定するために使用する釘やネジのためのガイドを使用します。これらの手術の際、外科医は術中X線撮影（透視と呼ばれる）を行う必要があります。CDCは、透視法を「一定期間、体内にX線を通すことで、体の一部の内部の動きをリアルタイムで映像化する医療行為」と定義しています[3]。
ガイド（カッティングガイド、ドリルガイド、ネイルガイドなど）、リトラクター、ディトラクター、鉗子などの器具が金属製である場合、透視に課題があります。特に、外傷手術の際に日常的に視野に入る器具の場合です。これらの器具は、透視中に外科医が外傷部位の視界を遮ることになります。そのため、透視の回数が増えたり、機器や患者を移動させることになり、手術時間が長くなってしまいます。
インストゥルメントがX線や透視が通過する材料で作られている場合、インストゥルメントが完全に視界を遮ることはないでしょう。この材料の特性は、放射線透過性と呼ばれ、一部の器具では非常に重要です。サージカルガイドが放射線透過性で、透視中に移動する必要がなければ、手術室で過ごす全体の時間を短縮することができます。
放射線透過性の素材を使用した機器の設計は困難です。アルミニウムのような金属は、ガイドにかかる力を受け止めることができません。一般的な射出成形のプラスチック素材は、オートクレーブによる蒸気滅菌（外科用器具の最も一般的な滅菌方法）ができません。機械加工されたステンレス製器具に代わる、蒸気滅菌で長寿命な材料は、グリーンツイードのOrthtek®材料のような炭素繊維強化PEEKコンポジットだけです。グリーン・ツイードでは、この材料を最大2.5インチ厚の板状で提供することができます。厚い材料は、器具の設計や製造に大きな柔軟性をもたらします。また、グリーンツィードでは、半完成品や金属製金具を組み込んだ最終製品の製造も可能です。
参考文献
[1] CDC Injury Center, Nonfatal Injury Data, Nonfatal Injury Distribution by Disposition, Estimated Number, 2020 -https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home
[2] CDC Injury Center, Nonfatal Injury Data, 10 Leading Causes of Death, United States, Estimated Number, 2020 -https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home
[3] CDC, Radiation in Healthcare, Fluoroscopy -https://www.cdc.gov/nceh/radiation/fluoroscopy.html