IACMI：先進複合材製造における革新の先駆者

CAMX 2019でのIACMIメンバー。出典：IACMI

2015年の発足以来、先進複合材製造イノベーション研究所（IACMI — The Composites Institute、米国テネシー州ノックスビル）は、産業界、学術機関、連邦・州・地方政府のネットワークを構築し、複合材技術開発を通じて米国のエネルギーと経済の安全保障向上に取り組んできました。このコンソーシアムには、31州、130社以上の企業、17の学術機関から160以上のメンバーが参加しています。第5番目のManufacturing USAイノベーション研究所として発足し、米国エネルギー省先進製造局の支援を受け、IACMIは過去5年間で以下の5つの技術分野における先進複合材の開発加速で実績を積み上げてきました：

• 複合材料とプロセス
• 圧縮ガス貯蔵（CGS）
• 車両
• 風力タービン
• 設計、モデリング、シミュレーション

発足時に、これらの分野でよりコスト・材料・エネルギー効率の良い複合材製造が大きな影響を与えると特定されました。以来、IACMI内の複合材コミュニティは、インフラ、防衛、輸送など拡大する市場を支援し、米国の安全保障ニーズを強化する方向へ成長しています。

2016年、IACMIは低コスト・エネルギー効率の良い複合材の前進と商業化を導くロードマップの策定を主導しました。業界関係者の参画により策定されたロードマップは、技術導入リスクの低減と先進複合材産業の強靭なサプライチェーン構築に必要な有望なR&Dを特定しました。具体的には、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）コスト25%削減、CFRP埋め込みエネルギー50%削減、80%のリサイクル性または有用製品への再利用というIACMIの技術目標達成に向けた200以上の技術経路を示しています。

協働イノベーションネットワーク

過去5年間、ロードマップはIACMIとそのメンバーによる協働技術実証の触媒となってきました。90社のメンバー企業が参加し、50件以上の産業主導R&Dプロジェクトに7,000万ドル以上が投資されました。これらの資金提供プロジェクトは、ロードマップの最優先活動と整合し、IACMIメンバーのニーズに対応しつつ、技術目標への具体的な進歩をもたらしています。2020年を迎えるにあたり、技術分野別の最近のプロジェクト例を振り返ります。

複合材料とプロセス： 速硬化樹脂と接着剤は、複合部品の大量生産に必要なサイクルタイム短縮に貢献します。また、回収不連続炭素繊維から作られる製品は、バージン材製造に必要なエネルギーの一部しか消費せず、機械的特性の低下はわずかです。Ashland Performance Materials（米国オハイオ州コロンバス）とパートナーは、希釈剤フリーのビニルエステルプリプレグを用いた自動車フードインナーの新規圧縮成形を実証。製造コスト22%削減、埋め込みエネルギー33%削減、棚卸寿命安定性の向上、冷蔵保管不要、樹脂・繊維界面強度の大幅改善、プリプレグスクラップのリサイクル・再利用機会の創出を実現しました。American Composites Manufacturers Association（ACMA、米国バージニア州アーリントン）とプロジェクトパートナーのContinental Structural Plastics（CSP、米国ミシガン州オーバーンヒルズ）、CHZ Technologies（米国オハイオ州オースタウン）、A. Schulman（米国オハイオ州フェアローン）、オークリッジ国立研究所（ORNL、米国テネシー州ノックスビル）も、専用または混合複合廃棄物ストリームから貴重な材料を回収するスケーラブルな低熱熱分解法を開発中です。

モデリングとシミュレーション： モデリング・シミュレーションツールは、設計者が構造挙動を予測し、製造工程を削減し、設計を最適化し、複合製品の製品試験とプロトタイプ開発を管理するのに役立ちます。IACMI独自のComposite Virtual Factory HUB（cvfHUB）は、複合材料の設計、製造、性能課題を解決する商用シミュレーションツールへの安全なウェブベースアクセスをメンバーに提供します。DuPont（米国ミシガン州トロイ）、Fibrtec（米国テキサス州アトランタ）、パデュー大学（米国インディアナ州ウェストラファイエット）は、予測モデリングツールを用いて、Fibrtecのフレキシブル炭素繊維/ポリアミド複合材トープレグ材料とDuPontのRapid Fabric Formation（RFF）加工技術が、コストと炭素繊維廃棄物を30%、埋め込みエネルギーを40%削減できることを実証しました。

車両： 繊維強化複合材は自動車メーカーの車両質量削減機会を最大化しますが、高コスト、長い生産時間、信頼性の低い接合性、低リサイクル性、未成熟なサプライチェーンによって導入が制約されています。高度に自動化された複合材成形技術によるニアネットシェイプ中間体は、設計柔軟性を高めながら製造サイクルタイムと廃棄物を削減できます。Toray Composites（米国ワシントン州タコマ）はプリプレグサプライチェーン専門家と提携し、対象自動車部品のコストを15%削減する高速炭素繊維プリプレグ成形技術の開発・最適化を行いました。一方、Ford（米国ミシガン州ディアボーン）はDowAksa（米国ジョージア州マリエッタ）、Dow Chemical（米国ミシガン州ミッドランド）、ORNL、ミシガン州立大学（米国ミシガン州ランシング）、テネシー大学（米国テネシー州ノックスビル）、パデュー大学と共に、年間10万個以上の自動車部品の大量生産に適した新規エポキシ樹脂システムとチョップド炭素繊維シートモールディングコンパウンド（SMC）を開発しました。

圧縮ガス貯蔵（CGS）： 複合材は、ガソリン・ディーゼルの低排出代替として需要が高まる圧縮天然ガス容器、そして将来的には水素貯蔵タンクに貢献できます。熱可塑性ベースの複合材CGSタンクは廃棄時リサイクル性を向上させ、自動化戦略により自動車メーカーによる低コスト・大量生産が可能になります。DuPont、Steelhead Composites LLC（米国コロラド州ゴールデン）、Composite Prototyping Center（CPC、米国ニューヨーク州プレインビュー）、デイトン大学研究所（UDRI、米国オハイオ州デイトン）は、新規製造プロセスと熱可塑性ベース樹脂システムを開発し、部品重量削減、リサイクル性向上、耐損傷性向上、製造コスト最大20%削減を実現しました。

風力タービン： より軽量で長い風力タービンブレードが発電効率と容量向上に必要ですが、現在の複合材技術では製造に時間がかかり、リサイクルが経済的に困難で、工場から現場への輸送がますます難しくなっています。TPI Composites（米国アリゾナ州スコッツデール）、Arkema Inc.（米国ペンシルベニア州キングオブプルシア）、Johns Manville（米国コロラド州デンバー）、Huntsman Polyurethanes（米国ミシガン州オーバーンヒルズ）、Strongwell（米国バージニア州ブリストル）、DowAksa USA、Chomarat North America（米国サウスカロライナ州ウィリアムストン）、Composites One（米国イリノイ州アーリントンハイツ）、SikaAxson（現Sika Advanced Resins、米国ミシガン州マディソンハイツ）、Creative Foam（米国ミシガン州フェントン）、Chem-Trend（米国ミシガン州ハウエル）は、全長9メートルの風力タービンブレード実物大デモンストレータと、熱可塑性複合材向け新規真空支援樹脂移動成形（VARTM）プロセスを導入し、熱硬化性ベース複合材と比較して製造コスト削減とリサイクル性向上を実証しました。さらに、Arkemaとパートナー（Electric Glass Fiber America LLC、SAERTEX USA LLC、General Electric Co.、TPI Composites Inc.、テネシー大学、国立再生可能エネルギー研究所（NREL、米国コロラド州ゴールデン）、コロラド鉱山大学（ゴールデン））は、接着剤接合法と比較して製造欠陥を低減し、より長い風力タービンブレードの現場組立への潜在的解決策の基盤となる、熱可塑性複合材の新規非接着剤熱溶接法を開発しました。

これらをはじめとするIACMI協働プロジェクトは商業化を推進しており、IACMI協働の成果により10以上の新製品がすでに商業的に利用可能になっています。速硬化によるコスト削減、製品寿命延長、効率的製造技術などが含まれます。

世界水準のR&D施設、リソース、人材育成

協働プロジェクトに加え、IACMIの主要な差別化要因の1つは、全国に戦略的に配置された生産対応可能なイノベーション環境です。例えば、ミシガン州デトロイトにあるIACMIのスケールアップ研究施設（SURF）は、5万平方フィート以上の協働スペース、生産規模の複合材製造設備、分析・材料準備スペースを備えています。SURFは、産業界、政府、学術パートナーに開かれた国内唯一のパイロット生産規模複合材製造施設です。

オハイオ州のデイトン大学研究所（UDRI）複合材ラボラトリーには、フルサイズ製造ワークセルと中小企業インキュベーション機能があります。UDRIは20社以上のオハイオ州拠点IACMIメンバーと提携し、速硬化プリプレグとSMC材料、ビニルエステル樹脂、大型複合材航空機構造体向け積層造形工具、カーボンナノチューブ製造技術などを前進させています。

NRELの設計、解析、構造検証能力と連携し、複合材製造・教育技術施設（CoMET）はコロラド州に1万平方フィートの施設を提供します。CoMETでは、業界パートナーと大学研究者が、メガワット級風力タービンブレード材料・部品（プルトレーション炭素繊維スパーキャップ、特殊ガラス繊維サイジング、新規熱可塑性樹脂を含む）の設計、試作、試験、製造を行えます。

最後に、パデュー大学との提携で、インディアナ製造研究所が新たに複合材製造・シミュレーションセンターを開設しました。このセンターは、州パートナーが次世代インダストリー4.0技術を活用し、製造から製品寿命終了までの複合材構造をモデリングする包括的なシミュレーションツールを開発するテストベッドとして機能します。

R&D実施に加え、IACMIは先進複合材製造労働力の強化にも取り組んでいます。発足以来、IACMIは：

• 2,000名以上の参加者を実践ワークショップで訓練
• 9,000名以上のK-12学生をSTEM活動と機会でエンゲージ
• 100名以上のインターンを受け入れ — 卒業後6か月以内に100%が業界就職または大学院進学を実現

このコラムは、IACMIとそのパートナーの活動を紹介するシリーズの第一弾です。IACMIは先進複合材製造の未来にコミットし、強靭なサプライチェーン構築、製造業者の技術リスク低減、次世代複合材労働力育成に向けた業界の取り組みを積極的に触媒しています。しかし、成功は複合材製造コミュニティの参加と、イノベーションのパイプラインを供給し続ける継続的なプロジェクトにかかっています。詳細はiacmi.orgでご確認ください。

著者について

Uday Vaidya氏は、テネシー大学繊維・複合材製造施設（FCMF）ディレクター、IACMIチーフテクノロジーオフィサー、テネシー大学・オークリッジ国立研究所ガバナーズチェア（先進複合材製造）を務めます。Vaidya氏は繊維強化ポリマー複合材の製造と製品開発の専門家です。ElsevierのComposites B: Engineeringジャーナル編集長も務め、幅広い学部生・大学院生を複合材技術の体験学習に導いています。