熱可塑性複合材料の工業化を加速するために開始されたENLIGHTENプログラム

車両が軽量であるほど、燃料消費量が少なくなり、CO ₂ も少なくなります。 放出されます。乗客の安全を確保するのに十分な強度を持つ軽量素材は、自動車や航空機のメーカーにも人気があります。熱可塑性複合材料（加熱すると柔らかくなる繊維強化プラスチック）は、軽く、丈夫で、取り扱いが簡単で、リサイクルも簡単です。航空機の胴体と翼の特定のコンポーネントは、すでにこの比較的新しい材料で作られています。ただし、まだ広く使用されていません。

ENLIGHTENの目的— 大量の統合された軽量構造を可能にする —予測可能で、再現性があり、費用効果の高い方法で、この材料を使用して信頼性の高い構造全体を作成する方法を見つけることです。この600万ユーロの5年間のプロジェクトは、トゥエンテ大学（UT、オランダ、トゥエンテ）と、UTおよびThermoPlastic Composites Research Center（TPRC、オランダ、トゥエンテ）の科学者であるRemkoAkkerman博士によって開始されています。オランダを拠点とする展望 このプログラムは、真の経済的および社会的影響を与えることができる革新的な新しい研究ラインを確立するように科学者に挑戦します。オランダ科学研究機構（NWO）と経済省によって設立された6つの展望 コンソーシアムはオランダで設立されており、138の企業や組織が、オランダ政府から入手可能な2,200万ユーロに相当する1,000万ユーロの自己資金を提供しています。

マルチスケールの詳細の作成

CW ENLIGHTENが実際に何を伴うのかをよりよく理解するために、Akkermanと話をしました。 「 CompositesWorld 読者は、TPRCで行われる作業に精通しており、溶接、オーバーモールド、リサイクルなどの高速熱可塑性プラスチック加工に重点を置いています」とAkkerman氏は述べています。 「私たちは、材料、プロセス、および性能を研究する多くの結果を発表しました。しかし、このプロセスは、複合材料の繊維マトリックスの分布と多孔性にどのように影響しますか？次に、それは部品の機械的性能にどのように影響しますか？これらのプロセスは、亀裂の発生とサービスの成長にどのように影響しますか？幅広い産業用途向けに熱可塑性複合材料を成熟させるには、これらの側面を理解する必要があります。」

これが、ENLIGHTENが、ポリマー、複合マイクロメカニック、マルチスケールデジタルモデリング、およびデジタルデータサイエンスの専門家を含む、このような大規模なプログラムである理由です。 「私たちの目標は、これらの熱可塑性複合プロセスを最適化してパフォーマンスを最適化するために使用できる知識を開発することです」とAkkerman氏は述べています。 「また、材料の品質はプロセスを制御する能力に依存しているため、プロセスの監視と機械学習を統合して、この最適化をスピードアップします。」

ENLIGHTENには、オランダの3つの工科大学（トゥエンテ大学、デルフト工科大学、アイントホーフェン工科大学）のほか、OEM、Tierサプライヤー、SMEを含む自動車および航空宇宙のサプライチェーン全体の企業が含まれます。英国のCATAPULTプログラムの一環としてウォーリック大学の高価値製造センターや世界的な自動車メーカーのタタモーターズ（インド、ムンバイ）の子会社であるジャガーランドローバーなど、オランダ国外の組織も関与しています。

この顕微鏡写真は、連続繊維強化ブランクと短繊維強化射出オーバーモールドの間のウェルドライン上での繊維の移動を示しています。これが部品の強度と性能にどのように影響するかは、ENLIGHTENが回答する多くの質問の1つです。

「私たちが調査するプロセスには、誘導溶接と超音波溶接、およびオーバーモールディングが含まれます。オーバーモールディングには、それぞれ同じ物理現象が異なる速度で発生する溶接インターフェースもあります」とAkkerman氏は述べています。 「したがって、繊維の動き、応力、亀裂の発生に関する同じ現象はすべて、ここでも当てはまります。」しかし、溶接された熱可塑性複合構造は、30年以上にわたって商用航空機で飛行していませんか？ 「はい。ただし、これらの構造のいずれも、一方向テープを使用した誘導溶接または超音波溶接を使用していません。これは、理解と制御がはるかに困難ですが、プロセスを完全に予測できれば、より経済的に製造できます」と彼は指摘します。

マルチスケールモデリングと物理テストは、ENLIGHTENプロジェクトで重要な役割を果たします。 「複合材料を作成するために使用された製造プロセスを見ずに複合材料を理解することは不可能です」とAkkermanは言います。 「デジタルモデリングを通じて、仮説を立て、実験を並べて実行して、結果を検証し、理解を深めることができます。たとえば、これには、ミクロレベルでの結晶構造の形成、メソレベルでの溶接プロセス中に繊維がどのように移動するか、これらの現象がどのように相互作用して、マクロでの構造の応力、マイクロクラック、および最終的な負荷の発生に影響を与えるかを調べることが含まれます。レベル。この非常に詳細でありながら組み合わせたレベルの調査は、私たちの業界ではまだ見たことがありません。」

しかし、機械学習はどこで機能しますか？ 「作業パッケージ1および2の各分析要素は、実行に数時間かかります」とAkkerman氏は言います。「特定の材料、部品、およびプロセスごとに繰り返す必要があります。これらすべてのスケールとモデルで最適化を実現したい場合は、数千時間かかります。ただし、これを行う際に、これらすべての現象が互いにどのように関連しているかに関するデータを蓄積します。次に、基礎となる物理学に完全に沿って、このデータの接続を認識するようにニューラルネットワークをトレーニングできます。」

以下に示す作業範囲を見て、彼は次のように説明しています。これらすべての分析に基づいて、私たちの目的は、毎回ゼロから始めることなく、より一般的で柔軟な方法で使用できるアルゴリズムを開発することです。つまり、これらのアルゴリズムを特定の部品に適用して、プロセスパラメータと材料の選択を最適化するのに役立ちます。機械学習は、多くの変数を備えた一種のカーブフィッティングと考えてください。」彼は、これは完全なアナロジーではないことを認めていますが、結果は事実上類似しており、曲線（この場合はより多次元の超曲面）が、前向きな相関関係と因果関係を示します。

資料、普及、最終目標

調査対象の資料を完成させることは、ENLIGHTENプロジェクトの最初のタスクの1つです。 「最も可能性の高いポリアミド6（PA6、ナイロン）は自動車用に研究され、低融点ポリアリールエーテルケトン（LM PAEK）は航空宇宙用に研究されます」とAkkermanは述べています。 「他の資料を評価し、入手可能なすべてのデータを調べます。」これには、たとえば、炭素繊維強化LM PAEKUDテープを使用して大量のテストを行ったCleanSky2のMECATESTERSなどの他のプログラムによって生成されたものが含まれる場合があります。一方、Clean Sky 2 STUNNINGプログラムは、多機能胴体デモンストレーター（MFFD）の下半分を組み立てる際に、超音波溶接に関する大量のデータを生成します。 Akkermanは、TPRCで実施されたCOMPETEプロジェクトを指摘しています。このプロジェクトでは、さまざまな材料の組み合わせのオーバーモールディングが研究されています。

プロジェクトの結果の普及に関しては、ENLIGHTENコンソーシアムは毎年総会を開催し、各作業パッケージのサブグループは、確立されたマイルストーンを達成するために必要に応じて会合します。プロジェクトの過程で国内および国際会議で個別のプレゼンテーションが行われ、プロジェクトの最終年に献身的なセッションまたは完全な国際会議が開催され、全体的な結果が共有されます。

Akkerman氏によると、最終的な目標は、熱可塑性複合材料について、たとえば航空エンジンの単結晶金属の材料設計アプローチで金属業界が持っていることを達成することです。 「彼らの目標は、航空機の将来に必要な性能を達成することでした。モビリティのスパンを拡大するためにも同じ義務があります。航空宇宙および自動車構造用の軽量熱可塑性複合材料の性能を最適化するために、溶接およびオーバーモールドプロセスを設計しようとしていますが、それでもばらつきが非常に大きくなっています。その結果、安全率が高くなり、テクノロジーが実際に提供するよりも効率が低下します。はい、熱可塑性複合部品が飛んでいますが、これまでに30年かかりました。ヨーロッパは、2050年までにカーボンニュートラルになるという目標を設定しました—それは30年未満です。試行錯誤を繰り返しながら同じ道を進んでいくと、気候変動と戦うために必要な目標を達成できません。 ENLIGHTENを介して、別のより効率的なパスが表示され、今こそ行動を起こす時です。」