Veelo Technologiesウッドローン施設を探訪：革新的CNTファイバープラントの内部

自社が商業化を目指していたカーボンナノチューブ（CNT）ファイバーが、米国空軍やBoeing（イリノイ州シカゴ）などの潜在顧客が必要とする性能を提供できない場合、どうしますか？ ピボットし、描き直し、先進材料とコンポジット加工の専門知識を活かして他のソリューションを開発します。「我々はしばしばナノ材料を使用しますが、決してナノ材料企業ではありません」とVeelo Technologies CEOのJoe Sprengard氏。「我々は電気伝導性材料と非金属加熱ソリューションに焦点を当てた先進材料企業です。初期の連続CNTファイバーとシート開発から、現在のポートフォリオ──落雷保護（LSP）と電磁シールド、コンポジット加工用高効率加熱ブランケット、非金属電気熱除氷システム──に共通する糸は、新しい性能レベルを提供するだけでなく、重量とコスト要件も満たす新材料を開発する能力です。」

同社は従業員4名から24名へ拡大し、シンシナティ郊外のウッドローンにある新しい20,000平方フィート（約1,860 m²）製造施設に移転。GE Aviation本社（イベンダール）から1マイル、デイトンのライト・パターソン空軍基地にある空軍研究所（AFRL）から南へ1時間の場所です。Sprengard氏がCWのツアーをリードし、Veelo Technologiesの新生産拠点を案内、ナノ材料サプライヤーから先進ブロードグッズスペシャリスト、未来のコンポジットへのイノベーションパートナーへの進化を辿ります。

ナノから多機能コンポジットと加工へ

Veelo Technologiesは当初、連続CNTファイバーシート（左上）を開発しましたが、現在は落雷保護と非金属加熱ブランケット（コンポジット加工用と航空機構造除氷用）のために多様な材料を使用する製品へと進化しました（下と右）。

CNTファイバーとシート

Veelo Technologiesは元々、General Nanoとしてシンシナティ大学（UC）からスピンアウト。大学は2007年に世界最長のCNTアレイ（18 mm）を生産。「AFRLの材料製造局が関心を持ち、複数年評価を開始しました」と2009年入社のSprengard氏は説明。「最初の3年間、AFRLが関心を持っていた高強度マクロスケールファイバーへ、これらの長いCNTを変換する方法を模索しました。しかし特性が実現しませんでした。」

そこで会社はピボットし、CNTを連続シートに変換する方法を開発。Boeingが関心を持ち、コンポジット航空機構造向けのLSPと電磁干渉（EMI）シールドの潜在的ソリューションとして注目。「平均して商用機は1,000時間ごとに落雷を受けます」とSprengard氏。炭素繊維は導電性ですが、コンポジットのマトリックス樹脂は非導電性。したがってBoeingが777と787で記録的数量生産していたCFRP航空機構造は、展開金属箔などの金属ソリューションに頼り、電流を速やかに接地接続へ伝導して熱ダメージを防いでいました。「しかし金属メッシュは重く、多くの寄生重量を生み、コンポジット部品での加工が困難です」とVeelo Technologies製品開発エンジニアのLarry Christy氏。

2015年までにBoeingは全社的な次世代LSPソリューション開発を推進し、General Nanoは重要なパートナーでした。CWは2016年、シンシナティベースの複数スタートアップが入居するビジネスインキュベーター施設だった同社の元ロケーションを訪問。Christy氏がラボツアーを案内し、当時進行中の技術進化について語りました。「金属LSPとシールドの効果は周波数とともに低下します」と同氏。「伝導率を改善しインピーダンスを減らす必要がありますが、25ミクロン未満の厚さでなければなりません。しかしCNT-CNT接合がシート内で抵抗を加えます。2014年から2016年にかけて伝導率を12倍改善し、200 MHz周波数でのシールドで金属比25%軽量化のドロップインソリューションを実証。しかし厚さ削減がまだ必要でした。」

この時点で同社は、5フィート幅の基板上にアラインメントされたCNTを数百フィートの長さで生産する能力を開発。また20 g/m²、2 mm厚のCNTペーパーと不織材料──一種のCNT連続不織布──を、製紙設備に余剰キャパシティを持つトール製造パートナーネットワークで製造。「このアプローチで柔軟性が得られ、顧客と協業して機能追加と製品の特性・フォーマット調整に集中できます」とChristy氏は説明。連続テープ製造も依頼され、これもトールネットワークで対応。

高性能ブロードグッズへのピボット

このテーラーメイド性と顧客要求に基づく製品修正の意欲が鍵となりました。設立から約10年で、同社の未来が過去とは大きく異なる可能性があることを理解。「LSPだけでなくEMIシールドなど複数のニーズがありました」とChristy氏。「それぞれに電気的性能を調整する必要があります。金属メッシュの特性は周波数依存で、シートの穴からの漏れにより周波数上昇とともに低下。我々の性能は連続で穴も漏れもないため周波数とともに向上。CNTは高周波で金属を上回るため、高強度無線周波数（HIRF）と高出力衛星通信用途に最適。CNTにはスキン効果もありません。」スキン効果は交流が導体の中心を避け、表面またはスキンのみを流れる傾向で、実効断面積を減らし抵抗を増加させます。Christy氏は続けます。「しかしCNTは低周波では競争できません。伝導率が十分ではなく、信号損失が大きすぎます。なのでハイブリッドを模索しています。」

「これがナノ材料ベースではない他のシート材料へとつながりました」とSprengard氏。「VeeloVEILを開発しました。LSP向けのメタライズドカーボンファイバーソリューションで、展開銅箔（ECF）比70%軽量、Zone 1A落雷保護要件を満たします。」Zone 1Aにはレドーム/ノーズ、翼端、ナセル、エンペナージの端部が含まれ、米国連邦航空局（FAA）要件で200,000アンペアの電流に耐えなければなりません（「コンポジット航空機のLSP戦略」と「コンポジット構造のLSP」参照）。「VeeloVEILは他のメタライズド不織布比4倍の伝導性で、半分の重量です。これは我々が開発したケミストリーと材料加工により可能です。」

航空機構造向け次世代LSP

航空宇宙業界は現在、カーボンファイバーベールをLSPに使用していませんとSprengard氏。「Zone 1A要件を満たすほど導電性の高い製品がないためです。」VeeloVEILは5-10ミリオームの電気抵抗率（抵抗率が低いほど導電性が高い）を、40-50 g/m²のアレアウェイトで実現するよう設計され、単一の80ミクロン厚プライで航空機LSP要件を満たします。「これにより材料が非常にドレープ性に優れ、ECF製品でしばしば必要となるポロシティ充填後処理なしで滑らかな表面仕上げが得られます」と同氏。「これによりメーカーはサーフェシング樹脂を減らせ、材料と製造コストを削減できます。トップ3航空機構造OEMから、VeeloVEILにより総LSP材料と加工時間を20時間超から3時間未満に削減できると聞いています。」

VeeloVEILはECFと同じ製品形態で供給されるため、メーカーは既存製造プロセスを変更せずに使用可能。「我々の航空宇宙コンポジット向け電気伝導性材料はすべて、自動ファイバープレイスメント/テープ積層（AFP/ATL）マシンで加工可能に設計されています」とSprengard氏。Veelo TechnologiesはVeeloVEILを標準表面層製品に統合するプロセスも進行中で、Tier 1航空宇宙プレプレッガーと協業中。

加熱用途への伝導率調整

VeeloVEIL開発中、Sprengard氏のチームはブロードグッズの電気伝導率を調整する能力が電気熱加熱用途にも利用できることに気づきました。これがもう一つの製品ファミリー、VeeloHEATへの扉を開きました。

「VeeloHEATは航空機構造に統合されるカーボンベースの非金属材料で、除氷用です」とSprengard氏。「これは炭素繊維ではありません。」現在、航空機除氷システムは金属ワイヤーをよく使用しますが、ロータークラフトのような高疲労環境では耐久性に問題があります。ワイヤーが1本切れるとシステムが機能しなくなります。従来の金属除氷システムは一般的に故障しやすく、修理に時間とコストがかかります。「我々の製品は遥かに耐久性が高く、航空機のダウンタイムを劇的に減らすことを実証しています。」これらの製品は実際にヘリコプターのローターブレードで使用されており、都市航空モビリティと次世代輸送向けに現在開発中のeVTOL（電動垂直離着陸）航空機への大きな可能性を秘めています。

より近い将来、VeeloHEAT製品は2020年第1四半期に固定翼商用機で飛行予定で、初期段階の認定に向けています。「この技術の魅力は秘密ではありません」と同氏。Collins Aerospace（旧UTC、今後Raytheonの一部）が2017年1月、CNTベース除氷システムの独占ライセンスを発表。「彼らは市場をよく知り、未来に向けてポジショニングしています。彼らの投資はこの技術の行方を示す良い指標です。」

除氷からコンポジット加工と修理へ

従来のヒートブランケットは数十年間、コンポジット構造の接着スカーフ修理時に、通常1平方メートル未満の比較的小さな領域を硬化させるために使用されてきました。これらのヒートブランケットは、必要な硬化温度に応じてシリコーンゴムやその他の材料に埋め込まれた従来の金属ワイヤーを使用。「金属ベース除氷システムと同様、ワイヤーが1本切れるとヒートブランケットがショートし、機能しなくなります」とSprengard氏。「我々はカーボンベース除氷製品を活用し、非金属ヒートブランケットを開発しました。比類なき耐久性とドレープ性、そして性能を備えています。」業界標準は3%変動係数（COV）で、これは加熱製品の均一性をカバー間とエッジ間で測る指標。VeeloHEATブランケットは典型的なエネルギー出力5 W/in²でこの標準を超えています。

Veeloのヒートブランケットは550°F（288℃）までの温度を生成可能で、部品と工具に合わせてネットシェイプ成形可能。「この能力は、調整可能な抵抗率で独自のケミストリーを処方し、ユニークな先進材料を製造する能力によるものです」とSprengard氏。Veelo Technologiesはこの技術を15ヶ月で商品化し、現在はフル生産中。「この製品ラインで非常に良い成長を見ています」と同氏。「オートクレーブとオーブンの「外」で大型コンポジット構造を接合するために使用される大量のVeeloHEATブランケットを製造中で、顧客が要求する複数温度ゾーンなどの加工機能を活用しています。」

移転と生産拡大

Veelo Technologiesの新しい20,000平方フィート生産ホールは、VeeloHEATブランケット生産の拡大に十分なスペースを提供。製造移行のフェーズ1で移転とフル稼働へのラムアップ完了。フェーズ2は2019年第3四半期までに完了予定。

顧客ニーズに応える製造

2018年10月、Veelo Technologiesは即座のラムアップを要求する大型防衛プログラムの受注確認を受けました。「ありがたいことに、我々が必要とするインフラをすでに備えた、ほぼ完璧な移転即稼働可能な施設が見つかりました」とSprengard氏。ウッドローン施設は最新の環境制御、照明、壁面エポキシ床を備え、これらはSprengard氏が顧客の操業を見学してきた経験から、航空宇宙では標準だと指摘。「妥協しませんでした──最高品質の材料と仕上げへの投資は、長期戦略と未来へのビジョンを反映しています。」この投資は施設のアクセス制御と警備スタッフにも見られ、防衛契約に必要です。

施設の必要なビルドアウトは2019年第2四半期に完了し、その後Veeloは生産ラインの移転を開始。「ほぼフルキャパシティで全設備が稼働中であり、すべてのラインを新施設へ移転するためのシャットダウンスケジューリングが課題でした」と同氏。2019年7月にフェーズ1を完了し、VeeloHEATブランケットラインを移転してフル生産に復帰。

新施設の広いオープン生産ホールはフロントロビーからアクセス。右側がVeeloHEATブランケット製造エリア。4台の4×10フィートレイアップテーブルで、形状金型工具上にVeeloHEATフィルムと他材料を積層。これらはJPW Industrial Furnaces（ペンシルベニア州トラウトラン）製10×10フィートオーブンで硬化。完成ブランケットは脱型し、電気供給ワイヤーを接続。コンピュータ制御ユニット（ホットボンダー）で使用し、コンポジットラミネートと修理を硬化。各VeeloHEATブランケットは温度出力と均一性を検査。

ヒートブランケット製造エリアのすぐ先にウェットケミストリー製造室。Silverson Machine（マサチューセッツ州イーストロングメドウ）とNetzsch（マサチューセッツ州バーリントン）製産業用機器で、Veelo製品に使用される先進化学処方を混合。隣がフィルム製造室で、VeeloHEATブランケットの鍵技術であるカーボンベースVeeloHEATフィルム製造用の独自システムを設置。さらに左がVeeloVEIL製造エリア。ツアー時は空でしたが、15インチと36インチ幅のロールツーロール製造ラインが8月に移転済み。将来の需要に対応する60インチ幅ラインの設計も進行中。10月までにはすべての製品ラインが一つ屋根の下で稼働し、増産に向けてラムアップ予定。

次世代ソリューションへ

Veelo Technologiesの現在の成功への道のりは長く、必ずしも順風満帆ではありませんでした。「はい、ナノ材料から始め、この分野での重要な専門知識を維持していますが、我々の顧客の誰も我々がナノ材料を使うかどうかは気にしません」とSprengard氏。「彼らが気にするのは、性能とROI目標を満たす説得力のあるソリューションを供給するかどうかです。例えば、航空機の次世代除氷システムが消費電力を減らせる製品で、新たな航空機設計と運用効率の機会を開くようなものです。」

Sprengard氏によると、3つのVeelo製品ファミリーすべてが前進中。OEMとサプライヤーの適格製品リスト（QPL）への登録最終段階「または顧客のサプライベースへの部品番号登録」のいずれか。現在の大部分は熱硬化性コンポジット向けですが、熱可塑性コンポジットと付加製造も見始めています。

Veelo Technologiesは今、どこに焦点を当てていますか？「第一優先は既存受注と戦略的機会への継続的な対応です」とSprengard氏。「市場が新たな需要レベルへの対応を迫っており、それは素晴らしくもあり挑戦でもあります。集中し続けることが最優先です。」

同社が今設定している目標は、この地点に到達するまでの12年間の開発における粘り強さと忍耐と同じくらい印象的です。「AirtechやA&P Technologiesのような最高の航空宇宙コンポジットサプライヤーを見ると、彼らは顧客の開発サイクル早期にテーブルに着席しています」とSprengard氏。「そんなイノベーションパートナーになるには時間がかかります。そしてコミットメントも。」

Veelo Technologiesは従業員4名から24名へ拡大し、ナノ材料サプライヤーから先進ブロードグッズスペシャリスト、未来のコンポジットへのイノベーションパートナーへと進化。2015年にBoeingからサプライヤー・オブ・ザ・イヤーに認定されました。