熱可塑性テープ：複合材料航空機構造のイノベーションを牽引

航空機構造体の生産はCOVID-19パンデミックの大きな影響を受けましたが、航空宇宙分野の取り組みが必ずしもそれに従ったわけではありません。少なくとも、様々な顧客用途向けに熱可塑性テープスリッティングサービスを提供するWeb Industries（米国マサチューセッツ州マールボロ）においてはそうです。グローバルR&Tディレクターのグラン・ホウ氏によると、宇宙、都市航空モビリティ（UAM）、軍事分野の研究努力は、次世代航空機を可能にするために全力で進められており、複合材料、特に熱可塑性テープが、これらの取り組みの多くで鍵となっています。

熱可塑性テープは新しいものではありません（1960年代に遡るバックストーリーについては、CW編集長ジェフ・スローン氏の「あなたに2つの言葉を言わせてください：『熱可塑性テープ』」を参照）、しかし過去数年間で、商用航空宇宙やその他の高性能用途（Wing of Tomorrowプログラムのリブ、多機能機体デモンストレータープログラムなど）への関心が高まっています。熱硬化性テープと比較して、熱可塑性は、より高い靭性、より容易なリサイクル性、オートクレーブフリー（OoA）処理が可能、室温保存可能などの利点を提供します。

Web Industriesは、熱可塑性開発と用途の最前線にあり、特に複数のフォーマッティング機能で注目されています。これには、サプライヤーからの熱硬化性および熱可塑性テープを、特定の顧客要件を満たすために異なる形状とフォーマットにスリッティングすることが含まれます。米国と欧州の施設にテープスリッティング生産ラインを持つWebの機能には、航空宇宙用途で最も一般的に使用される高性能ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）、ポリアリールエーテルケトン（PAEK）熱可塑性テープのフォーマッティングが含まれます。

二次航空機構造向けTPテープ、一次構造での課題

現在、ホウ氏によると、熱可塑性プリプレグにおける航空機構造活動のほとんどは、クリップ、アクセスパネル、サブ構造などの二次構造に集中しています。一方、翼や胴体などの飛行に不可欠な一次構造は、熱硬化性複合材料や金属で作られています。

「多くの課題はリスク管理についてです」と彼は言います。問題の一部は、サプライヤーからの熱可塑性プリプレグの成長の痛みにあります。熱可塑性材料は熱硬化性テープよりも成熟度が低いです。ホウ氏によると、熱硬化性テープが数十年の大量生産でスケールアップと完璧化を遂げてきたのに対し、熱可塑性材料は、大量生産のための自動プロセスでの使用においてはまだ初期段階にあります。

しかし、Web Industriesは様々な複合材料サプライヤーと協力しており、ホウ氏は全体的な材料一貫性とスケールが過去数年で大幅に改善したと述べています。材料幅、長さ、厚さ、繊維テンション、樹脂均一性はすべて、今日でははるかに一貫性が高く、高品質です。

より大きな熱可塑性一次構造の製造を妨げるもう一つの要因は、熱可塑性材料が熱硬化性よりも高価になりがちなことです。「全体的なコストメリットがなければ、より広く採用されることはありません」とホウ氏は認め、コラボレーションと技術支援がプロセスコスト削減に不可欠だと指摘します。「プロジェクトの初期段階から終了まで、皆が協力して共通の目標を達成すれば、より良いソリューションが得られます。」

プロセス柔軟性と材料カスタマイズ

全体として、ホウ氏は現在および将来において熱可塑性テープに多くの可能性と活動の増加を見ており、柔軟性が顧客にとって主要なティッピングポイントの一つだとしています。

現在、熱硬化性テープは主に自動ファイバープレイスメント（AFP）に限定され、オートクレーブ硬化と保存温度要件の制約があります。熱可塑性は、より柔軟なプロセスアプローチとOoA処理を可能にするとホウ氏は言います。これには、自動テープレイアップ（ATL）用テープフォーマットや、付加製造用フィラメントが含まれます。

Web Industriesによると、商業規模のフォーマッティングとサプライチェーンソリューションは、予測される業界ビルドレートを支えるために航空機構造製造業者が必要とする熱可塑性スリットテープを提供する上で不可欠です。

熱可塑性プリプレグは、特定の用途向けにカスタマイズすることもできます。ホウ氏によると、エンドユーザーは各用途に材料をマッチングさせようとしています。熱可塑性は高い適応性があるため、特定の部品向けに特定のフォーマットを開発でき、材料使用を最大化し、顧客の下流コストを削減できます。UAM、宇宙、軍事が高活動分野であるため、セールス・新規事業開発ディレクターのアシュリー・グレーバー氏は、活動が航空機プログラム単位ではなく、プロジェクト単位で調整されていると指摘します。

特定用途向けに熱可塑性材料をフォーマットすることは、廃棄物削減にも役立つと、航空宇宙セールスVPのジェイソン・サーマン氏は言います。航空宇宙業界では、原材料と完成部品質量の比率であるバイ・トゥ・フライ比が重要な懸念事項です。目標は、バイ・トゥ・フライ比を1:1にできるだけ近づけ、廃棄物を最小限にすることです。適切な材料を適切なフォーマットで適切な用途に使用すれば、廃棄物を大幅に削減できるとサーマン氏は指摘します。航空宇宙業界では30%の廃棄物が「非常に一般的」であり、それを下回るには全面的な協力が必要です。

「材料とプロセスを融合させることが重要です」とサーマン氏は付け加え、「熱可塑性テープは、航空機構造製造業者にとってイネーブリングソリューションとして浮上しています。」