WEAV3Dの自動織布システム、高性能・大量生産複合材製造を推進

複合材の広範な採用、特に自動車業界における長年の障壁は、多くの複合材製造プロセスでは実現困難な大量生産と低コストの両立が必要とされる点にあります。スタートアップ企業WEAV3D Inc.（米国ジョージア州ノークロス）は、連続熱可塑性複合材強化ラティス構造を、廃棄物ゼロ、コスト効率良く、大量生産を可能にする自動織布プロセスで製造することで、これらの課題解決を目指しています。

コンセプトから商業化へ

WEAV3D Inc.創業者兼CEOのクリストファー・オーバースタイ氏は、2014年にジョージア工科大学（ジョージアテック、アトランタ）で材料科学工学の博士号を取得する過程で、この技術の初期コンセプトを開発しました。ポリマーと繊維工学の研究、GKNエアロスペース北米（米国アラバマ州タルラシー）でのコープインターンシップが、熱可塑性樹脂と圧縮成形、航空宇宙複合材のような大量生産プロセスへの関心を喚起。これが熱可塑性複合材強化ラティス構造のための高速自動織布プロセスの最初のイテレーション開発につながりました。博士課程指導教員のベン・ワン博士の支援で、ジョージア研究同盟と米国立科学財団のイノベーション・コープス（NSF I-Corps）プログラムから助成金を獲得し、アイデアの開発と商業化を進めました。

その後2年間、オーバースタイ氏はMBA学生と法科大学院生と協力し、ジョージアテックの共同プログラム「TI:GER（Technological Innovation: Generating Economic Results）」を通じて技術の商業化に取り組みました。2017年には、メガワット・ベンチャーズと米国エネルギー省クリーンテック大学賞からの追加資金を得て、オーバースタイ氏と共同創業者のルイス・モーション氏（元米国沿岸警備隊ヘリコプターパイロット）がWEAV3D Inc.を設立。現在、同社は正社員3名、パートタイム4名を雇用しています。

オーバースタイ氏とモーション氏のバックグラウンドが航空宇宙であったため、当初の計画はWEAV3Dの熱可塑性複合材を航空宇宙部品の補強構造として認定することでした。しかし、NSF I-Corps助成金の一環として潜在的業界顧客100社へのインタビューを行う中で、方向転換を余儀なくされました。「航空宇宙分野で多くの発見的インタビューを行いましたが、スタートアップが新製造プロセスで航空宇宙に参入する道のりは非常に困難だと繰り返し聞きました。導入までの時間が非常に長く、コストも高額。市場に到達する前に倒産する企業が多いのです」とオーバースタイ氏は説明します。

他業界の企業と話す中で、オーバースタイ氏とチームは自動車と建設市場に焦点を移すことを決断。「自動車関係者と話し始めると、そこには本当に大きな未充足ニーズがあることが分かりました。自動車業界には軽量化への切迫した要求がありますが、価格にも敏感です。利用可能な従来の複合材製造プロセスの多くは、彼らが求める量とコストを両立できないと言われました」と同氏。そこから、大量生産複合材部品を低コストで製造するイネーブリングソリューションとして技術を進化させることに注力しました。

その結果生まれたのが、WEAV3Dの商標「Rebar for Plastics（プラスチックの鉄筋）」コンセプトです。自動織布・圧着プロセスを用いて、寸法調整可能な熱可塑性複合材ラティス構造を製造。これを圧縮成形、射出オーバーモールディング、その他の一般的な大量生産プロセスでプラスチックやコンクリート部品に補強材として容易に統合できるように設計されています。シミュレーションモデルによれば、このアプローチにより、オルガノシート、自動テープ積層（ATL）、手積み積層プロセスで成形される複合材部品と比較して、鉄鋼やアルミニウム板金と同等の性能を持ちながら、軽量で製造コストを30〜75%削減できるとしています。

WEAV3Dプロセス

WEAV3Dプロセスは、市販の熱可塑性単方向（UD）テープから始まります。オーバースタイ氏によれば、あらゆる種類の熱可塑性樹脂と強化繊維に対応可能です。「自動車と建設で我々が取り組んできた大半の『スイートスポット』は、ポリプロピレン（PP）、ポリカーボネート（PC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリアミド（PA）の領域です。強化繊維についても非常にアグノスティック（非依存）ですが、もちろんガラス繊維とカーボンファイバーが最も一般的です。」また、導電性金属テープや光ファイバー埋め込みテープの研究も行っています。

WEAV3Dのフルサイズパイロット機は、幅25ミリ（1インチ）のテープを標準処理しますが、アダプタ使用で5ミリ（0.2インチ）幅まで、リツーリングでより幅広いテープにも対可能です。現在の機械では、幅1.5メートル（60インチ）、最大5層まで、用途に応じた任意の長さのラティスを製造できます。

同社の2017年11月特許出願では、WEAV3Dシステムを「制御可能な内部布地幾何学を持つ織布複合材を連続製造する機械」と説明しています。スプールから機械に装填されたUDテープは、独立制御可能なワープヘッドのアレイに通されます。各ヘッドには複数のテープチャンネルがあり、ワープシェッド（緯方向テープを通すための経糸テープ間の空間）を形成。インサータースタックが緯方向に単方向テープを供給し、ワープシェッドを通じて複合織布を形成。織り上がったラティスは赤外線（IR）光源の下を通過し、続いて圧縮ローラーを通過して、テープ層が交差点で圧着・接合されます。顧客要求に応じて、フラットシート、ロール、または追加のトリミング・プリフォーミングサービスを提供します。

WEAV3Dプロセスの最も重要な利点の一つは、ラティス構造の高いチューナビリティ（調整性）だとオーバースタイ氏は言います。これには異なる位置での異材料ミックス、ラティス構造の密度（テープ間距離）調整が含まれます。「最終製品の要件に合わせてラティス構造を最適化し、全体コストを最小化できます。」

顧客に納入されたラティスは、ポリマーコンクリート部品に統合されたり、圧縮成形、熱成形、射出オーバーモールディングされて最終的な自動車複合部品を形成します。WEAV3Dプロセスは様々な複雑さレベルにも対応可能です。オーバースタイ氏によれば、比較的シンプルな部品なら「このラティスを積層プロセスと組み合わせて熱成形、共成形ステップとして処理できます。中程度の複雑さなら、熱可塑性圧縮成形やSMC圧縮成形で共成形やプリフォーミングが可能。非常に複雑な部品なら、ラティスを必要な形状にプリフォームし、金型に配置して射出オーバーモールディングを行えます。」

「複合材エコシステムにおける我々の大きな焦点は、大量生産におけるゲームチェンジャーになることです」と同氏は付け加えます。正確な生産量は用途によりますが、自動車ドアパネル補強サイズのラティス部品で、WEAV3D機械は年間20万〜50万ユニットの生産が可能と見積もっています。

さらに、WEAV3D製品は複合材やプラスチック部品を補強する際、機械的特性を向上させることも実証されています。「WEAV3Dラティスを既存の短繊維プラスチックや長繊維複合材と組み合わせると、結果製品の強度、剛性、靭性を大幅に向上させられます」とオーバースタイ氏。増加幅は使用材料と部品設計によって大きく異なりますが、「用途によっては部品厚やリブを大幅に削減でき、これが軽量化に直結します。」

強化コンクリートトレンチ：初の商業用途

創業初期の数年間、スタートアップは自動車業界向けの製造方法と材料開発に注力してきましたが、オーバースタイ氏は商業航空機内装部品、無人防衛航空機、鉄道、貨物輸送、海洋用途への展開アイデアも持っています。

しかし、2020年11月に発表された初の商業用途は建設市場でした。Oldcastle Infrastructure（米国ジョージア州アトランタ）が製造するポリマーコンクリートトレンチシステムに、ガラス繊維/PET補強材を使用しました。

Oldcastleのトレンチシステムは、都市部、駅、工場でのユーティリティケーブル配線用で、上を車両が通過する際の16,000ポンド（約7.2トン）荷重に耐えなければなりません。従来はカスタム溶接されたスチールワイヤーケージがコンクリートに埋め込まれて補強されていました。しかしオーバースタイ氏によれば、これらのスチールケージはカスタム製造が高コストであり、Oldcastleが複数サイズのトレンチを製造しているため、排水穴を適切に補強するための正確な寸法のケージが常に用意できるとは限りませんでした。「我々のプロセスなら、用途要件に合わせてラティスを最適化できます。例えば排水穴周りに補強を追加し、搬送時の衝撃から保護するためトレンチ端部を補強するといった調整が可能です。」

また、プロジェクトで最も困難だった点の一つは、スチールケージ補強のように単なる機械的インターフェースではなく、ポリマーコンクリートと接着結合する熱可塑性テープ材料を特定することでした。WEAV3Dが選定したポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）材料は、二材料間に真の接着界面を形成し、応力伝達を助け、破壊発生確率を低減します。「破壊が発生しても、接着界面を克服しなければ伝播しにくくなります。」と同氏。

WEAV3Dはこの用途向けラティスをU字チャンネルプリフォームとして製造。Oldcastleが鋳型に配置し、ポリマーコンクリートを流し込み、硬化・脱型して最終的な強化コンクリート構造体を製造します。

建設分野では、エンクロージャーや蓋など他のポリマーコンクリート用途への展開を計画。2020年10月、WEAV3Dはウェスタンオンタリオ大学と構造エンジニアリング会社Entuitiveとの共同提案で、カナダ自然科学工学研究評議会から助成金を獲得。WEAV3Dラティスを従来のポートランドセメント系コンクリートの補強材として使用する研究を実施します。目標は、非住宅建築のスラブとファサード用補強材として使えるラティスを開発することです。

次世代WEAV3D：自動車生産スピードへ

自動車製造ニーズに対応する次世代WEAV3D機械が、NSFからの研究資金で開発中です。オーバースタイ氏によれば、2022年に稼働予定。改良点は現行システムの3倍の生産速度を目指し、IR加熱と圧縮ローラーをより効率的な超音波溶接に置き換えることなどが含まれます。

同時に、オーバースタイ氏とチームは米国と欧州のTier 1サプライヤーおよびOEMと、内装部品からピックアップトラックのテールゲートまで、プラスチックパネル補強へのWEAV3D製品採用について協議を開始。「目標の一つは、成形プラスチック部品内にラティスを構造スケルトンとして追加し、強度と剛性を向上させ、設計者が現在頼っている金属ブラケットとスタッフを置き換えることです」とオーバースタイ氏。自動車ボディパネルなどのデモンストレーション製品も開発中で、材料のメリットをアピールします。