CETMA: イタリア有数の複合材R&D・イノベーション・ハブ

 

1994年設立のチェントロ・ディ・リチェルケ・ヨーロピオ・ディ・テクノロジエ、デザイン・エ・マテリアル（CETMA、イタリア・ブリンディジ）は、4,000平米の施設と75名の従業員を持つイタリア最大級の独立研究・技術機関の一つです。20年以上にわたり複合材に強く投資し、幅広い専門性を持っています：

• コンポーネント設計と試作
• 新規複合材プロセス
• 複合材とプラスチックのリサイクル・プロセス
• コスト、持続可能性、レート等のプロセス最適化
• リアルタイム・プロセス監視
• 非破壊試験（NDT）
• 生産中と稼働中のリアルタイム・リモート構造ヘルス・モニタリング（SHM）
• REACHコンサルティング
• 熱可塑性スタンピング、連続圧縮成形（CCM）、プリプレグ圧縮成形（PCM）
• 液体注入、樹脂移転成形（RTM）、同一認定RTM（SQRTM）
• 非オートクレーブ（OOA）プリプレグ
• 誘導溶接

 

CETMAの主目標は、企業とイノベーションを支援することです。4つの主要ラボによってサービス提供され、CETMAの複合材活動は先進材料とプロセス（AMP）部門内で組織化され、さらに4つの領域で構成されます：

• 材料と特性評価
• 技術とプロセス
• モデリングとシミュレーション
• 診断と構造ヘルス・モニタリング

AMPには30名のスタッフが在籍し、材料、航空、土木、化学エンジニア、化学者、材料科学者、建築家、複数の技術者が含まれ、学際的チームへの信念に準拠しています。

 

熱可塑性複合材での強み

「複合材でフル・スペクトルのサービスを提供しています」と、CETMAのAMP部門長アレッサンドラ・パッサロは述べます。「しかし、熱可塑性材料での活動は現在優先分野の一つです。すべての種類の熱可塑性マトリックス・ポリマーをラボで処理してきました。2004年にTWINTEXコミングルド・ファイバーで作業を開始し、約15年前にシンプル・プレスで圧縮成形を始めました。現在、特許取得済みの連続圧縮成形（CCM）と誘導溶接技術を開発しました。これらのプロセスで使用可能なすべての熱可塑性複合材材料を分析してきました。」

 

CCMラインは、PPS、PEEK、PEKK、PAEKを使用して定寸法部品を製造できます。しかし、CETMAプロセスはXELIS（ドイツ・マルクドルフ）やATCマニュファクチャリング（アイダホ州ポストフォールズ、米国）のような企業とどう違うのでしょうか？（CW記事：「航空宇宙グレード圧縮成形」と「航空宇宙における熱可塑性複合材の加速」参照。）パッサロは説明します。「私たちが使用する金型設計には特定の詳細があります。私たちの技術は、使用可能な形状とマトリックス材料により柔軟です。まだ開発中です。特許取得済みですが、一部は独占情報です。CETMAがCCMを追求した理由は違います。『連続熱可塑性複合材プロセスの需要と使用増加を見たからです』とパッサロは言います。『XELISは製品会社であって機械サプライヤーではありません。私たちは独立したR&D機関なので、異なる視点から技術に投資し開発しています。』」

その一例が、金型内温度分布を分析する広範なプロセス・シミュレーションです。「シミュレーション結果で、材料中の温度変化を時間経過で完全に把握できます」と彼女は説明します。「これは片側からインラインで監視するのは非常に困難ですが、複合材欠陥最小化には不可欠です。」

 

組立用誘導溶接

CETMAの熱可塑性複合材専門性のもう一つの鍵は、特許取得済み誘導溶接技術で、溶接線内の熱を維持する制御システムと冷却を含みます。CETMAはこの技術をパートナーのユーレカット（スペイン・バルセロナ）と共に、クリーン・スカイ2 KEELBEMANプロジェクトでCCMプロファイルとプレートを組み立て、エアバスA320タイプ航空機用熱可塑性複合材キール・ビームを製造するのに使用しました。私の2020年1月ブログ「クリーン・スカイ2向け熱可塑性複合材とRTMの前進...」で、このプロジェクトとCETMAの溶接詳細を説明しています。

 

「2種類の誘導溶接システムを開発しました」とパッサロは述べます。「一つは平面用固定機、もう一つは複雑な3D形状用ロボット・ベースです。両方とも、溶接線に追加材料を必要とせず産業規模で連続溶接を可能にし、組立てで非常に高い接着性能を提供します。」

CETMAは、カーボンファイバー・ウーブン・ファブリックと単方向（UD）テープ製複合材積層板、およびPPS、PEEK、PEI、PEKK、PP、PA6、PA12、ハイブリッド熱硬化性エポキシ/PVB（ポリビニル・ブチラール）熱可塑性システムなど多様なマトリックス材料で誘導溶接を実証しています。

コンピュータ・モデリングとシミュレーションの専門性を誘導溶接プロセスにも適用しています。「これにより、溶接中の接合部温度変化を予測でき、プロセス・パラメータ最適化の根本的な助けになります」とパッサロは述べます。

 

クリーン・スカイ2と複合材R&Dプロジェクト

KEELBEMANに加え、CETMAのAMP部門は現在、他の4つのクリーン・スカイ2プロジェクトに関与しています。

TRINITI - 航空機用マルチマテリアル熱可塑性高圧窒素タンク（JTI-CS2-CFP09-2018-02）。2019年開始の2年プロジェクトで、消火用長期貯蔵窒素タンクのプロトタイプ構築を目指します。ディール・アビエーション（ドイツ・ギルヒングとドレスデン）がトピック・マネージャー。パートナーには航空宇宙R&Dラボのノボテック（イタリア・ナポリ）、複合材試験ラボ（アイルランド・ゴールウェイ県インベリン）。共押出しで多層・多機能ライナー/積層板形成、その後レーザー支援自動ファイバー積層（AFP）によるインサイチュ・コンソリデーション（ISC）でマルチマテリアル熱可塑性複合材タンクを製造します。（ISC AFP詳細は「その場で熱可塑性複合材航空構造を緻密化、パート1とパート2」参照。）TRINITI内の目標の一つは、極低温環境でのマイクラック低減または排除。現在CETMAは、航空宇宙圧力容器要件を満たすすべての熱可塑性材料を特定中です。

SPARE - 地域航空機胴体バレル実証機用革新的複合材旅客・貨物フロア・グリッドのフル・スケール製造（JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14）。2018年10月開始の18か月プロジェクトで、カーボンファイバー強化熱可塑性（TP）複合材でフル・スケール旅客・貨物フロア・グリッドを製造することを目指します。高度自動化生産は、プログレッシブ・ロール・フォーミングと組立用誘導溶接で構成。目的は、従来の金属と熱硬化性複合材ソリューション対比で重量と経常コスト削減。複合材フロア・グリッドはクリーン・スカイ2地域航空機胴体実証機に組み立てられ、地上試験され、技術的・経済的影響とFAR 25.583規制による難燃性能評価されます。トピック・リーダーはレオナルド、CETMAが機械メーカーOMI S.r.l.（イタリア・フォリアーノ・レディプリア）と協力してプロジェクト調整。

  CETMAは、熱可塑性複合材スキン・ストリンガー組立の誘導溶接(上)とそれらの組立試験(下)を含む多様なプロセスで赤外線サーモグラフィ（IRT）を開発。

CETMAのSPAREへの主要貢献の一つは、プログレッシブ・ロール・フォーミングのインライン監視用赤外線サーモグラフィ（IRT）開発です。このプロセスでは、TP複合材積層板ロールをコンパクションと加熱にかけ、材料プロセス温度、複雑形状、設計厚に達するまで処理します。「しかし、最内層合板がマトリックス完全溶融と緻密化を経験することを確認することが重要です」とパッサロは説明します。「さらに、ポリマー劣化なしで溶融を保証する狭い温度ウィンドウがあります。IRTは非接触法で、高精度で部品表面全体の放射熱エネルギーを測定します。」

CETMAは、閉鎖装置内部を観察するため、酸化亜鉛セレン（ZnSe）製ウィンドウを使用。IR波に透過し、500℃まで性能発揮。SPAREプロジェクトのプログレッシブ・ロール・フォーミング・ラインにIRTカメラを上から吊り下げ、処理材料のほぼ垂直視野を確保するため、2つのウィンドウを構築。編集可能な制御ソフトウェアにより、定義目標範囲外の値を監視、記録、アラーム可能にしました。

プロファイル断面を通じた材料温度均一性を、2つの限界点で評価—ライン1は加熱ステップ近く、ライン2は成形プロセスさらに先。各々を3つの連続ステップに分割（図19）：初期フェーズ（ステップ1）、成形プロセス開始（ステップ2）、速度低下成形（ステップ3）。IRTは、積層板外縁部温度が中央部より低く、不均一加熱と機械的特性を示しました。IRT記録表面温度の3D表現（図20）が温度分布理解の視覚的補助となりました。

TOD - ドアへの熱可塑性適用（JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12）。TODは、地域航空機用フル・スケール熱可塑性複合材ドア（胴体副構造含む）の迅速生産と組立の開発・検証を目指します。TODはクリーン・スカイ2地域航空機IADP（革新的航空機実証プラットフォーム）の一部で、クリーン・スカイ・フェーズ1グリーン地域航空機ITD（革新的技術実証機）で開発された技術統合を、2つの飛行試験機と3つの大型統合地上実証機でより高い複雑さと成熟度に引き上げます。レオナルド主導で、CETMAはプロジェクト・パートナーの溶接研究所（TWI、英国ケンブリッジ）と航空宇宙ティア1/エンジニアリング・産業化企業DEMA（デザイン・マニュファクチャリングSpA、イタリア・ソンマ・ヴェスヴィアーナ）と協力。

提案アプローチには、コンポーネント製造用熱成形の最適化・検証と、誘導溶接（IW）や抵抗インプラント溶接（RIW）などの接合プロセスが含まれ、機械的ファスナー排除による軽量化を実現。TODはまた、インダストリー4.0自動化とインライン監視を前進させ、堅牢なプロセス制御で高レート生産な高品質部品（ゼロ欠陥）を支援。期待メリット：

• 最低15%重量削減
• センサーとインライン監視による廃棄物とスクラップ10%削減
• 標準オートクレーブ処理対比最大75%省エネ
• 適応的スマート製造による経常コスト削減（柔軟性向上、フル・ライン工具コスト削減）
• 製造時CO2排出削減と軽量航空機運航による改善

CETMAは多数の他開発プロジェクトにも関与。一例はNHYTE（オートクレーブ外連続自動化技術で製造される新ハイブリッド熱可塑性複合材航空構造）で、多機能能力を持つハイブリッド熱可塑性マトリックス材料から革新的統合航空構造を実証することを目指します。

ホライズン2020プログラム資金、NOVOTECH（イタリア・ナポリ）主導で、NHYTEは2018年9月開始、2020年1月終了予定。高性能ハイブリッド材料は、市販カーボンファイバー/PEEKプリプレグにアモルファスPEIフィルムを追加し、自動ファイバー積層によるインサイチュ・コンソリデーション（ISC AFP）を可能にし、その後CETMA特許誘導溶接技術で組立。CETMAは、ハイブリッド複合材材料と誘導溶接プロセス・セットアップの物理・機械的およびバーチャル試験を含む広範な特性評価キャンペーンを完了。

 

カーボンファイバー・リサイクル

CETMAのもう一つの重要分野はリサイクルです。CIRCEプロジェクトは、複合材部品製造中に発生するプリプレグ・スクラップをリサイクルし、圧縮成形コンパウンドに変換、安全靴用トウ・インサート成形に使用することを目指します。CETMAはこの二次原料を特性評価し、靴インサートの構造性能予測数値モデルを開発。このモデルで衝撃挙動を分析・検証し安全規制適合を確認、結果を用いてトウ・インサート設計を改良・確定します。イタリア・プロジェクト・チームには、ベース・プロテクション（バレッタ）、複合材モータースポーツ/自動車部品メーカーHPコンポジッツ（アスコリ・ピチェーノ）、機械・生産ライン専門エルクス・グループ（アスコリ・ピチェーノ）、ペトロセラミックス（ステッザーノ）。

 

おそらくCETMAのこれまで最大のリサイクル投資は、REVALUEプロジェクト（リサイクル・カーボンファイバーによる高価値複合材）を通じたものです。欧州イノベーション・技術機構（EIT、ハンガリー・ブダペスト）資金で、REVALUEプロジェクトの目標は、主要生産者ELGカーボン・ファイバー（英国・コーズリー）が熱分解で提供するリサイクル・カーボンファイバー（RCF）を、バージンとリサイクル熱可塑性ポリマーと組み合わせ、セントロ・リチェルケ・フィアット（CRF、イタリア・トリノ）が選定自動車部品生産に使用する現行材料を置き換えることです。

しかし、2020年1-2月JEC Composites magazine記事「リサイクル・カーボンファイバー向け新規サイジング配合」アレッサンドラ・パッサロ他著で指摘されるように、熱分解で生産されたRCFにはサイジングがなく、脆い繊維がハンドリング中に頻繁に破断し、ファイバー・トウがフィラメントに分離し、絡まった「フワフワ」形態で低バルク密度になります。REVALUEの一環として、CETMAはバージンまたはリサイクル・ポリプロピレン（PP）とPA6と互換性のあるRCF専用サイジング配合を開発。このサイジングのRCFプロセス性向上能力と選択熱可塑性マトリックスとの界面向上能力を評価しました。

これを行うため、CETMAはRCF用サイジング・パイロット・プラントを開発し、キログラム単位でサイジング適用可能かつ同時に堆積プロセス主要パラメータの効果評価可能。プラントは3メイン・ステーションで構成：サイジング処理とファイバー洗浄；処理前後のドライ・ファイバー・ハンドリング；ファイバー・オーブン乾燥。連続サイクルで1日4kgのRCF処理可能。

CETMAでサイジングされたRCFは、フランス研究機関CEAとフランス・コンパウンダーSUEZで、バージンとリサイクル熱可塑性ポリマーを用いた成形コンパウンド製造に使用されました。コンパウンドの物理化学的特性評価完了、CETMAサイジングの最終複合材機械的性能向上能力を検証。

 

革新的RCF成形コンパウンドは、現在ガラス繊維強化PPまたはPA6で製造されている自動車セミ・ストラクチャー・コンポーネントの射出成形に使用されました。材料リサイクルと再利用の明確な利点に加え、車両重量、燃料消費、CO2排出削減も実証されました。

REVALUE以外でも、CETMAは圧縮成形、真空注入、RTMなど複数の複合材プロセスでRCFサイジングをさらに開発・評価し、すべてのケースで特性向上を示しました。

 

構造ヘルス・モニタリング（SHM）

CETMAの複合材活動の最後の主要分野は、業界でも注力が増しているSHMです。「建設・建築用途へのSHM適用で長年の経験があります」とパッサロは述べます。「複合材でのSHM作業も多く行ってきました。これは将来のアプリケーションで重要になると知っており、複合材メーカーと業界と協力してこの技術を前進させ続けることに興味があります。」​​​​​