携帯型修理キットで現場での複合材構造メンテナンスを簡素化

モジュラー展開型ブリッジは、軍事作戦・後方支援、自然災害時の交通インフラ復旧において重要な資産です。複合材構造の採用により重量を軽減でき、輸送車両と展開・回収機構の負担を減らせます。また、金属製ブリッジより荷重能力向上と耐用年数延長が期待できます。

AMCB（先進モジュラー複合材ブリッジ）はその一例で、Seemann Composites（米ミシシッピ州）とMaterials Sciences（米ペンシルベニア州）がカーボンファイバー強化エポキシ積層板で設計・製造しました（図1）。しかし、現場での修理手段が確立されておらず、複合材採用の障壁となっていました。

船甲板修復からブリッジ修復へ

2016年、Custom Technologies LLC（米メリーランド州）が米陸軍助成のSBIRフェーズI助成金を獲得し、兵士が現場で実施可能な修理手法を開発。この手法に基づき、2018年にフェーズII助成金を獲得し、未経験者でも構造元強度の90%以上を回復できる新材料・バッテリー駆動機器の実証を行いました。解析、材料選定、試験片製作・機械試験、小・大規模修理実証を通じて技術的実現性を確立しました。

両フェーズの主任研究者はMichael Bergen氏（Custom Technologies創業者・社長）。海軍水上戦センター（NSWC）カーダロックで27年間、構造材料部門で米海軍艦隊向け複合材技術の開発・適用を管理。Roger Crane博士は2015年入社、2011年海軍退役（32年勤務）。複合材料、試作製造、接合法、多機能複合材、構造ヘルスモニタリング、複合材修理で多数の技術論文・特許を持つ。

両名はすでに、ティコンデロガ級ミサイル巡洋艦CG-47の5456アルミニウム上部構造のクラック修復に複合材を用いる独自プロセスを開発済み。「これはクラック進展抑制と、200-400万ドルの甲板プレート交換の安価な代替手段として開発された」とBergen氏。「実環境での修理実績はあったが、現行の軍事資産向け手法は成功率が低い。選択肢は接着ダブラー修理（損傷部にプレートを接着）か、デポレベル（D-level）修理のため資産をラインから外すかのみ。D-level修理待ちで傍らに置かれた資産が大量にある」と語る。

必要なのは、「複合材未経験の兵士が、キットとマニュアルだけで実行できる手法」だとBergen氏。「液体樹脂の調合は不要（正確な計量・完全硬化が難しいため）、修理後のHAZMAT廃棄物ゼロ、既存の補給網で展開可能なキット形式」を目指しました。

革新的な接着パッチ材料

Custom Technologiesが実証した解決策の一つは、損傷サイズに合わせた（最大12平方インチまで）接着複合材パッチを、靭性エポキシ接着剤で貼り付ける携帯型キットです。実証はAMCBデッキ代表の3インチ厚複合材で実施。構成：3インチ厚バルサコア（密度15lb/ft³）、フェイスシートはVectorply社製カーボン0°/90°バイアキシャルステッチファブリック（C-LT 1100）2プライ、カーボン0°/+45°/-45°トライアキシャル（C-TLX 1900）1プライ、さらにC-LT 1100を2プライの計5プライ。

「キットには準等方積層の類似マルチアキシャルでプレメイドパッチを同梱し、繊維方向を問題にしない設計とした」とCrane氏。

樹脂マトリックスの課題と解決

液体樹脂調合を避けるためプリプレグを採用。しかし「プリプレグの課題は保管性」とBergen氏。Sunrez Corp.（米カリフォルニア州）と共同で、紫外線（UV）で6分硬化するガラス繊維/ビニルエステルプリプレグを開発。またGougeon Brothers（米ミシガン州）の提案で、新規フレキシブルエポキシ樹脂フィルムも採用。

初期検討でエポキシがカーボンプリプレグに最適と判明（UV硬化ビニルエステルは透光性ガラス繊維には良いが、遮光性カーボン繊維の下では硬化しない）。Gougeon Brothersのフィルムベースで、最終的なエポキシプリプレグは99℃で1時間硬化、常温長期保管可能（低温保管不要）。より高いガラス転移点（Tg）が必要なら177℃でも硬化可能。両プリプレグとも、プレメイドパッチ積層品としてプラスチックフィルム封入でキットに同梱。

保管寿命試験

軍用標準ハードケース4個にエポキシ接着剤とビニルエステルプリプレグサンプルを入れ、4環境で暴露試験：ミシガン州Gougeon Brothers施設屋上、メリーランド州空港屋上、カリフォルニア州ユッカバレー砂漠屋外、フロリダ州南部屋外腐食試験場。全ケースにデータロガー装着、3ヶ月ごとにデータ・サンプル回収評価。最高140°F（60℃）記録（フロリダ・カリフォルニア）、「ほとんどの修理用樹脂にとって実厳しい条件」とBergen氏。Gougeon Brothers社内でも120°F（49℃）オーブン保管で数ヶ月後に重合開始、110°F（43℃）では化学変化微小。

修理試験と評価

代表ラミネートを製造・損傷・修理して実証。フェーズIでは4×48インチビームで4点曲げ試験、フェーズIIでは12×48インチパネルで複軸応力破壊後修理評価、AMCB模型での実証も実施。

試験パネルはAMCBと同系譜のラミネート・コアで製作。フェイスシート厚は平行軸定理等に基づき0.375インチ→0.175インチにスケールダウン。XCraft Inc.（米ボストン）開発のFEAモデルで修理設計を最適化。カーボンファブリックはVectorply、バルサコアはCore Composites（米ロードアイランド州）調達。

修理手順（ステップバイステップ）

1. 損傷マーク・穴あけ：3インチ径ホールソーで穴開け、損傷材除去、バッテリー駆動ハンドグラインダーで12:1テーパーにスカーフ加工
2. 溶剤清浄：アルコールパッドでスカーフ面清浄
3. パッチ切出し・配置：プリプレグをテーパー形状にカット、配置、ローラーで脱泡
4. 硬化：
   • ガラス/UVビニルエステル：ピールプライ被せ、コードレスUVライトで6分硬化
   • カーボン/エポキシ：真空バッグ、プリプログラム済みワンボタンバッテリー駆動ホットボンダーで99℃・1時間硬化

試験結果

接着力と耐荷力回復を評価。フェーズIで75%以上強度回復（4点曲げ）、フェーズIIで90%以上（複雑応力下）を達成。AMCB模型での修理手順を撮影し、現場技術・機器の視覚的リファレンスを提供。

未経験者でも成功、将来応用へ

陸軍技術担当者の一人Ashley Genna氏（修理未経験）がキットとマニュアルのみで問題なく修理完了。バッテリー駆動硬化システム（図2）も鍵：全工程機器がコードレス。WichiTech Industries（米メリーランド州）と共同開発したバッテリー駆動ホットボンダーはプリプログラム済みでボタン一つで昇温・保温完了。バッテリーは1年持続。

フェーズII完了後、TRL 8を目指すフォローアップ提案準備中。「非軍事用途への展開も視野に入れている」とBergen氏。