エピソード29：プロドライブ コンポジッツのジョン・マクイリアム─軽量イノベーションのエンジニアリング

プロドライブのP2Tプロセスで製造された三次部品の例。CW撮影：スコット・フランシス

CW Talksのこのエピソードでは、CWシニア エディターのスコット・フランシスが、プロドライブ コンポジッツ（英国、ミルトン キーンズ）のチーフ エンジニア、ジョン・マクイリアム氏にインタビューしています。同社は、自動車、モータースポーツ、航空宇宙、海洋、防衛、その他専門分野を含む幅広い用途向けの先進軽量コンポジットを設計・製造しています。

ジョンは英国のフォーミュラ1カー デザイナーで、多数のモータースポーツ企業で働いてきました。2017年にプロドライブのコンポジット部門チーフ エンジニアとして入社しました。ジョンは、同社のPrimary to Tertiary（P2T）プロセスについて語ります。これはリサイクルを簡素化し、コンポジット材料に3回以上の有用な寿命を与える可能性を秘めたプロセスです。

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エピソード抜粋

CW: こんにちはジョン、CW Talks、コンポジット ポッドキャストへようこそ。3月にプロドライブ コンポジッツを訪問し、P2Tプロセス（Primary to Tertiary：一次から三次へ）を少し拝見しました。

JM: その通りです。第一段階は一次コンポーネントの製造で、これが現在行っている作業の大部分です。これらは、バージンファイバー、特殊樹脂、または特定タイプの熱硬化性樹脂を必要とする部品です。何らかの理由で。これらは私が「従来型コンポジット部品」と呼ぶものです……設計や製造を特に変更するものではありませんが、よりリサイクルしやすくするために確実に変更します。

CW: 了解。これらは典型的に高性能な部品ですか？

JM: はい。熱硬化性樹脂で作られます……私たちがするのは、単に設計を変更して、部品製造時の廃材と最終的な寿命終了時の部品からカーボンファイバーを回収・再利用できるようにすることです。熱可塑性樹脂が第二段階で登場します……初期段階は熱硬化性でも熱可塑性でも構いませんが、重要なのはファイバーを回収可能にすることです。一次部品からファイバーを回収するために、前述のように設計材料をファイバー回収しやすいものに変更します。つまり、ノンクリンプ ファブリックの使用増加、より単方向材料の使用、生産廃材とコンポーネントがファイバー回収プロセスを通過した際により良い収率の長く高品質なファイバーを得られるものです。

CW: その一次コンポーネントで起こる回収プロセスと、その結果得られる二次部品の特徴を少し説明できますか？

JM: はい。一次部品のリサイクル/回収プロセスは焼却タイプのプロセスです。廃プリプレグ——オフカット プリプレグ——または寿命終了部品が炉に入り、すべての樹脂が燃やされ、カーボンファイバーが残ります。それらのカーボンファイバーが一連のプロセスを経て、一定厚さとランダム配向の不織マットになります——準等方性プレークを作れるようになります。

CW: これはELG（ELGカーボンファイバー）があなた方のために行っているプロセスですか？ 彼らが熱分解を担当？

JM: はい、ELGがその部分を担当します。私たちの廃オフカットと一部コンポーネント部品を送り、それらを前駆体の一つ、二次部品製造に使用する部品の一つに戻してもらいます。

CW: それら二次部品と、何が特徴かを少し教えていただけますか？

JM: 二次部品の補強材は、主に回収カーボンファイバーで、特定領域で必要な場合にバージンファイバーを離散的に使用します。しかし補強材の大部分は回収ファイバーです。そしてリアクティブ熱可塑性樹脂を導入します。これは液体樹脂で、補強材に含浸させる——と言いましょうか。その後硬化タイプのプロセスがあり、完成コンポーネントが得られ、比較的低温、常圧でプロセス完了し、良好なコンポーネントが得られます。

CW: P2Tを可能にする部分の一つが、あなたが「リアクティブ サーマル プラスチック レジン」と説明したこの樹脂システムです。リスナーのためにもう少し説明してもらえますか？

JM: リアクティブ熱可塑性樹脂は、いくつかの点で熱硬化性樹脂と非常に似ています。コンポーネント製造直前に混合します。液体成分が2つまたは3つ混合されます。それらが時間と少しの温度で結合すると、真の熱可塑性樹脂へ重合します。そして、その後のリサイクルを可能にするのは熱可塑性樹脂の特性です。従来の熱可塑性樹脂ではなくリアクティブ熱可塑性樹脂である利点は、補強繊維を囲みながら実質的に熱可塑性樹脂を創造しているため、非常に低粘度で、従来の——と言いましょうか——熱硬化性タイプのプロセスで成形できることです。溶融熱可塑性樹脂をファイバープリフォームに注入する、または熱可塑性樹脂とファイバーがすでに結合された熱可塑性プリプレグを取り、通常金属金型で高温高圧で再成形する場合に必要な高温高圧は不要です。熱可塑性樹脂の融点以上で処理するために必要な金型工具の複雑さとコスト、溶融熱可塑性樹脂の高粘度による金型キャビティ内での補強材の歪みと移動の困難さを回避できます。

CW: これはコスト削減、時間短縮、基本的に生産にかなりの意味を持つと推測します……

JM: その通りです。生産方法は従来の熱硬化性業界でのやり方に似ていますが、従来の熱可塑性樹脂処理に必要な金型コストよりはるかに低コストです。これはほとんどのお客様にとって大きな利点です。熱可塑性樹脂用——または単に熱可塑性樹脂用の金型工具への先行投資は避けたいです。

CW: これはより大量生産のイネーブラーになると見ていますか？

JM: 確かに、より高生産のイネーブラーになると信じています。サイクルタイムは従来の熱硬化性より短く、処理温度へのランプアップ、保持、冷却ダウンのサイクル前に金型を回転させる必要がありません。従来のオーブンやオートクレーブ硬化コンポーネントと比較して、このプロセスでレート優位性を確認しています。

CW: そしてもちろん、そこからさらに二次部品をリサイクルできます。では、この材料のライフサイクルにおける三次部品を何が特徴づけますか？

JM: 二次部品は真の熱可塑性樹脂なので、他の形状に再成形可能で、通常は小片に切断し、加熱金型間のキャビティに入れてプレス成形で新しい形状にします。冗長になった二次部品すべて、二次部品製造の生産廃材すべてを、別の繊維強化プラスチックコンポーネントや繊維強化ポリマー コンポーネントに再成形する可能性があります。

CW: そこから、これら三次部品が必ずしもその材料の終着点ではない、と。

JM: その通りです……これら三次部品は熱可塑性樹脂なので、ほぼ無限に再成形可能だと考えています。成形ペレット——成形ピースと呼ぶべきか——に切断するプロセスにはファイバーへの消耗率があります……一部機械的特性は低下しますが、剛性、熱膨張率、変形温度などの他の機械的特性はほぼ保持されます。連続ファイバーコンポーネントや比較的長いファイバーコンポーネントの元の強度ではないものの、剛性、熱膨張、変形温度の面での利点が残るため、三次部品を繰り返し再処理する価値は十分にあります。