CFRPボールジョイントが精密用途で鋼を超える性能を実証

モジュラ治具設計会社/コンポーネントサプライヤーのProdtex（スウェーデン・ヨーテボリおよび英国・ブリストル）は、大型複合構造物の組立方法を変革するだけでなく、治具自体の構築にも複合材を使用しています。人間が持ち上げて設置する、あるいはロボットが操作する治具において、質量削減と高剛性は、必要人員の削減・より小型ロボットの使用、生産速度の向上、ひいてはコスト削減に直結します。この目標に向け、Prodtexは現在、Corebon AB（スウェーデン・マルメ）製のカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）ベースのボールジョイントを使用した、初のオールコンポジットHexapod位置決めロボットの開発に取り組んでいます。

ニアゼロバックラッシュの実現

「当初のアイデアは、バックラッシュを低減するよう金属ボールジョイントを再設計することでした」とCorebon CEOのTobias Björnhov氏は振り返ります。同社のボールジョイントとベアリングはCFRPハウジングを備え、ニアゼロバックラッシュ、つまり部品間に隙間や遊びがなく、「負荷をかける前からジョイントが剛性を持つ」と説明します。通常、「ベアリングで力の方向を変えると動いてしまう可能性がある」と指摘しますが、「我々の構造はプリロードされており非常に剛性が高いため、動きません」と主張します。

オールCFRPボールジョイントへの進化

Corebonは最初、金属ボールジョイントハウジングをCFRPで補強しました。これは、熱膨張係数の差を利用してCFRPハウジングを金属ボールにシュリンクプレスフィットすることでプリロードされていました。「これらは優れていましたが、製造コストが高かった」とBjörnhov氏。そこでCorebonは、ボール周りに完璧に組み立てなければならない複数の精密加工金属部品を、単一のCFRP成形品で置き換えるオールCFRPボールジョイントハウジングを開発しました。二部品アセンブリ（ボールは金属のまま）の成形とプリロードを、独自技術によりワンステップで実現しています。

ロボット用途への展開と大幅軽量化

Corebonは滑りベアリングやその他のキネマティックペア（ピストンとシリンダー、ボールジョイント、ベアリングなど、相対運動に制約を課す2つの連結物）も製造しており、ロボット用部品として写真右上のCFRPドームも手がけています。Björnhov氏によると、このドームはロボットのエンドエフェクタのリスト部分にあたり、「加工工具やテープレイヘッド用のモータ/スピンドルを取り付ける場所」です。将来的には、TETRAFIX AB（スウェーデン・クングスバッカ）やProdtexの軽量構造物が手がけるような、大型かつ軽量な「スパイダー」治具のノードとしても使用される可能性があります。「最初の用途は高精度が求められるロボットです。エンドエフェクタの軽量化により精度と速度を向上させます」とBjörnhov氏。どの程度の軽量化か？「ロボットリスト/ツールホルダ構造で27kgから5.5kgへ」とのことです。

高繊維含有率がもたらす特異な特性

CFRPドームはEvonik Industries（ドイツ・ダルムシュタット）のROHACELLポリメタクリルイミド構造フォームでコア材としていますが、Corebonは繊維含有率を最大化することで高比強度・比剛性も実現しています。「理論上の最大値に近い、最大80%の繊維体積率を達成しています」とBjörnhov氏。「繊維同士が接触しているため、面内方向だけでなく厚み方向（Z方向）にも高い熱伝導率と電気伝導率が得られます」と説明します。

内部からの体積加熱による製造プロセス

この製造プロセスは現在、複数の特許でカバーされており、樹脂移動成形（RTM）の改良と樹脂注入・加熱の制御への取り組みから生まれました。「RTM加工だけでなく、圧縮成形やフィラメントワインディングでも樹脂を注入します」とBjörnhov氏。「鍵は、複合材の内部から加熱することで、体積的に熱を制御できる点です。これは特定のマトリックス樹脂に依存しません」と付け加えます。

独自の誘導加熱技術

鍵となるのは誘導加熱技術ですが、Björnhov氏はCorebonのものが他の誘導加熱ベースの複合材製造と異なると説明します。「使用するインダクタと電磁場の制御方法の両方で異なります」。その結果得られる瞬時かつ均一な3D加熱は、プリプレグ硬化やプルトーションを含むほぼすべてのCFRPプロセスに適用可能です。従来プロセス比でサイクルタイム10倍高速化、エネルギーコスト最大95%削減、金型重量を鋼比で20分の1に軽量化できると報告されています。Corebonはこの技術をライセンス供与しており、住友商事（東京）を含む日本企業との提携もすでに進んでいます。

今後の展開

「現在は自動車サスペンションや航空機部品など、高精度・高剛性が求められるキネマティックペアへの応用を検討しています」とBjörnhov氏。Corebonはこれらの業界で求められる工業規模の生産体制整備も進めており、大量生産能力を実証する複数のプロジェクトを進行中です。