ハイブリッド複合材カバー：超薄型エレクトロニクスへの最先端保護

SABICが最近の研究で、1ミリメートル厚のカバーが、超薄型ノートパソコンまたはタブレット向けの関連業界性能仕様をすべて満たせることを実証。出典：SABIC

コンシューマーエレクトロニクスは製品世代サイクルが極めて短い動的市場です。スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット、ノートパソコン/ラップトップにおいて、消費者はより高速な動作速度、より長持ちするバッテリー、より高い耐久性、より多くの機能を、より低コスト・軽量で求めています。需要に応えるため、OEMはサプライヤーに対し、高い審美性と設計自由度、優れた耐衝撃性と高剛性——この市場では品質を意味する——を、低重量・薄肉で実現する材料を要求。また、年間数千万単位のグローバル生産需要に対応できる、コスト効率に優れ、高い再現性のある加工プロセスも求めています。これらのプレッシャーが、まずカバー/ケースとフレームを軽量金属へ、そして今や金属/複合材および全複合材ソリューションへと市場を押し進めています。

SABIC（オランダ・ベルヘン・オプ・ゾーム）による実現可能性調査では、2種類の熱可塑性複合材を用いて1ミリメートル厚のノートパソコン/タブレットカバーを製造。ハイブリッド熱可塑性複合材設計が、厳しいコンシューマーエレクトロニクス市場への実行可能なソリューションとなり得ることを示しました。

テストケース

2012年以来、SABICは自社の単方向（UD）ファイバー強化熱可塑性複合材テープ（詳細：「連続繊維強化への進化」参照）開発へ一連の投資を行い、短繊維射出成形と長繊維熱可塑性（LFT）材料というコアコンピタンスを拡張、より高性能な熱可塑性複合材へ進出しました。2015年、テープメーカーFiber Reinforced Thermoplastics B.V.（FRT、オランダ・レリスタッド）の過半数株式を取得し、2017年にはAirborne（オランダ・ハーグ）と提携・少数出資。Airborneは機械メーカーであり複合材加工ライン開発者です。

SABICとAirborneが、真に大量生産市場向けにネットシェイプ・高品質熱可塑性テープベースラミネートを高速・低コストで製造する技術を設計・構築する中（詳細：「高速・高レート熱可塑性複合材製造」参照）、チームはテストケースを探し始めました。このデモンストレーターは、複合材テープから製造される熱可塑性複合材ラミネートの設計概念を実証する重要なマーケティングツールとなるほか、両材料技術向けに開発した予測エンジニアリングツールのテスト、オランダで進化する高速製造プロセスのショーケースとしても重要でした。

「コンシューマーエレクトロニクス用途に特化することにしました」とSABICグローバル複合材リーダーのジーノ・フランカート氏。「この市場は非常に興味深いです。モバイルフォンとノートパソコンをより軽く薄くするため、軽量材料へ移行する強い意欲があるからです。そして何百万台も生産するため、この市場が提示する挑戦を受けることにしました。」

「ある程度複雑だが『あまりに複雑ではない』ものから始めることにしました」とSABICスタッフサイエンティスト・グローバルアプリケーションテクノロジーのスコット・デイビス氏。超薄型ノートパソコンまたはタブレットのトップカバー——最終的にはスマートフォン部品へ展開希望——が適切な出発点と判断。「全体形状はシンプルな長方形ながら、高い審美性維持と、取り付け機能などB面での高い複雑性が要求されます。カバーを極薄に保ちつつ、業界標準の困難なたわみ要件をクリアしなければなりません。そして、複雑な新製造プロセスで非常に一貫した製品を提供しなければなりません。」

実際の顧客設計ではなく、スクリーン用保護カバーのみを作成していたため、汎用形状を使用。実際、デイビス氏によれば、社内開発用射出金型切削を開始した時点では、タブレットかノートパソコンのどちらのカバーになるかさえ未定だったため、どちらにも対応できる設計としました。「複合材ソリューションを大量生産レディにするには多くの課題がありました」とデイビス氏。「実際、テープ開発、ラミネート開発、プロセス開発が同時並行で進行しており、それらが完了するまでツーリングを待つことはできませんでした。それがこの設計に至った経緯です。」基本設計完了後、チームはゲート方式、ラミネート挿入材とオーバーモールド化合物のオーバーラップ要件、金型内自動配置対応、2つの複合材間の線膨張係数（CLTE/CTE）ミスマッチ対処、容易に再現可能な部品創出など、詳細に注力しました。

厳しい要件への対応

目標は、高剛性を備え、すべての性能・審美要件——特にラップトップカバーに定期的に適用されるセンターポイントたわみ試験——をパスする1ミリメートル厚の上部カバーを開発することでした。この試験は、指や肘でカバーを押す人間ユーザーの動作を模擬し、基盤スクリーンを破損させる荷重を評価します。荷重/たわみ要件はOEM、デバイス、モデルにより異なりますが、典型的に40〜120ニュートンの圧力下で3〜5ミリメートル以下のたわみが許容されます。多くの産業では肉厚増加で対応しますが、この市場ではより薄い設計が評価され、デバイスサイズ・重量増なしに大容量バッテリー等のスペースを確保します。したがって、スクリーン破損防止に別の設計戦略が必要でした——すなわち、より剛性の高い材料選択（ラミネート挿入材による）と幾何学的手法（例えば、射出オーバーモールドによるリブ）。しかしまず、材料特定が必要でした。

材料の一つ、ポリカーボネート（PC）は、優れた審美性と高耐衝撃性により、この業界でカバー等に広く使用されています。最大の弱点は耐薬品性と表面傷つきやすさですが、ほとんどのカバーに施されるコーティング、塗装、またはその組み合わせで一般的に克服されます。

「超軽量コンピューターは非常に薄いため、内部パッケージスペースが実質的に逼迫し、たわみとメカニクスが極めてクリティカルになります」とフランカート氏。「コスト面からはガラス繊維を使いたいところですが、必要な剛性を得るためにカーボンファイバーを使用せざるを得ませんでした。」

その結果、評価されたすべてのテープベースラミネートは、SABIC子会社FRTで開発中だったグレードを含む、カーボンファイバー強化ポリカーボネートのバリエーションでした。

SABICは、ラミネートタイプ・アーキテクチャ（オーバーモールド化合物あり/なし）vs 成形部品性能をシミュレートする予測モデルを開発し、予測と実験結果の強い相関を達成したと報告。予測エンジニアリングツールは材料開発を加速するとされています。

オーバーモールド化合物には異なるアプローチが必要でした。当初の戦略は長繊維LFT化合物の使用でしたが、高審美要件、部品サイズ、ゲート戦略など複数の理由で、短繊維化合物の方がプロジェクト要件に適合。もう一つの課題はファイバータイプ。「短繊維カーボン射出成形化合物は、高審美性を維持しながら扱うのが非常に困難です」とフランカート氏。「そのためオーバーモールド材料では、短繊維ガラス強化グレードを検討しました。」SABIC子会社LNPエンジニアリングプラスチックス社（米国ペンシルベニア州エクストン）は、優れた審美性と剛性を備え、デバイスOEMで人気のガラス繊維/PCグレードを多数提供しており、チームはそれらに焦点を当てました。

完全非晶質PCは半結晶ポリマーより反りが少ないものの、チームは高強化・異方性UDカーボンファイバーテープと、より等方性・低繊維充填の不連続短ガラス繊維オーバーモールドグレード間のCLTE差を懸念。「このような薄肉では、エラーの余地がほとんどないため、CLTEのわずかな差異も慎重に検討しなければなりません」とデイビス氏。「ゲート位置、充填パターン、保圧、ウェルドラインなど、射出成形の通常懸念事項にも触れていません。これらすべての要素をシミュレーションと実物試験で検証しました。」

材料選定後、SABICエンジニアは複数回の金型充填、構造解析、反りシミュレーションを繰り返し、ラミネート積層、幾何形状、材料組み合わせを評価し、荷重/たわみ試験の剛性最適化に加え、その他性能・コスト要件を最適化。同社は、一般的な構造・プロセッシングコードで動作する包括的・精密な複合材モデリングツール（顧客利用可能）を開発し、ラミネートアーキテクチャ、オーバーモールド化合物組成、各種加工・ツーリングオプションvs 成形品性能を高速モデリング・シミュレート可能。これらツールは予測と実測性能の強い相関を達成し、カスタム材料開発の加速に最適とされています。

実用化レディ

最終デモンストレーターは、開発段階のUDMAXカーボンファイバー/PCテープ（55%ファイバー体積率）7層からなるラミネート挿入材を製造、圧着、トリミング、プリフォーム、再トリミングで最終ネットシェイプへ加工し、40%繊維重量率THERMOCOMP D452短ガラス繊維/PC共重合体（高流動・高審美性に最適化され、このセグメントで広く使用済みグレード）で射出オーバーモールド。この組み合わせにより、多数の3D設計ディテール、取り付け機能、良好な審美性を含みながら、低質量・薄肉で高剛性・高強度のカバーを実現。各材料の長所を活かしています。カバーは必要な業界試験をすべてパスし、現在デバイスOEMにより評価中です。

AirborneとSABICの協力も、SABICのコンシューマーエレクトロニクス市場目標に成果をもたらしました。提携は2018年発表、本年さらなる詳細が明らかにされた両社の「デジタル複合材製造ライン」は、熱可塑性複合材テープからネットシェイプ圧着ラミネート挿入材を分あたり4個、単一生産ラインで年間150万枚製造可能。システムは（積層アーキテクチャと材料の面から）柔軟かつ高速とされています。2020年から、Airborneがこのラインでコンシューマーエレクトロニクス商用ラミネートを製造し、両社が期待するこのハイペース・高競争セグメントへの熱可塑性複合材浸透を大きく拡大するリソースとなる予定です。