航空宇宙分野における熱可塑性複合材の急成長を牽引するATC Manufacturing

連続繊維強化熱可塑性複合材（TPC）は、持続可能な航空機の未来を支えるイネーブリング技術として注目され、軽量・高靭性部品の生産レート向上、穴あけ・締結具不要の溶接組立による経済的アセンブリを可能にします。

CWは2018年にTPCテープ、インサイチュ統合、溶接に関する連載記事を掲載し、2019年に自動車向けTPCと航空宇宙向けTPC開発の2ウェビナーを開催。私の記事・発表は欧州のTPC部品メーカー・装置サプライヤー、米国トレルボルグ・オートメイテッド・ダイナミクスが中心でした。米国トライマック・プラスチックス訪問も実施。しかし、米国で15年間静かに技術・生産の限界を押し広げてきたもう一つのTPC部品メーカーを見落としていました。ATC Manufacturing――ワシントン州スポケーン郊外、アイダホ州ポストフォールズ所在――は年間100万個の部品を生産、すべて連続繊維強化熱可塑性複合材、すべて航空宇宙向け。独自の3D部品高速成形専門知識を開発し、ボーイング（米国イリノイ州シカゴ）と国防高等研究計画局（DARPA、バージニア州アーリントン）の米国防総省（DoD）向けRApid high-Performance Molding（RAPM）研究プログラムのキーパートナーでもあります。

ATC Manufacturingは航空宇宙用途向け熱可塑性複合材部品を年間100万個生産：リブ、クリップ、ブラケット、スティフナー等。出典：ATC Manufacturing

ATCとは

ATC Manufacturingは2004年、元ボーイングエンジニアのダン・ヨルゲンソン氏（現共同会長）により設立。「常に強力な技術・エンジニアリング志向」とビジネス開発ディレクター、デビッド・リーチ氏。ボーイングと長い歴史、過去5年連続シルバーレベルサプライヤー認定、2016・2017年ボーイング「サプライヤー・オブ・ザ・イヤー」ノミネート。「主にビルド・トゥ・プリントでクリップ、ブラケット、小型プレス部品から開始」とリーチ氏。「近年、より複雑なアセンブリ、より厚肉・大型部品（長さ60インチまで）、一次構造向け部品へ進出」後者には構造ウイングチップ部品、多様な断面形状のテーラード積層長尺ビーム、胴体・尾翼構造等含む。

従業員150名、エンジニア20名以上。製造は単一67,000sq ft（約6,225㎡）専用施設（2015年竣工、最適ワークフロー設計、拡張余地あり）。（注：52,500sq ftは将来拡張用に事前計画済み。「全工程一括収容で運営簡素化」とリーチ氏。）設備：9台スタンプフォーミングプレス（30-150トン、プレートン最大60×30インチ）。「2019年末までに追加200トンプレス稼働予定」とリーチ氏。CNC加工ステーション10台（最大12フィート部品対応）、ウォータージェット切断（最大30フィート部品対応）。

ATC Manufacturingは9台のスタンプフォーミングプレスを運用、写真は80トン機。能力最大150トン、プレートン最大60×30インチ。出典：ATC Manufacturing

非破壊検査（NDI）も施設運営・ワークフロー設計に統合。5台Cスキャンタンクシステム（パルスエコー・透過試験、最大30フィート部品対応）。その他社内専門技術：全表面処理・塗装。「熱可塑性複合材向け高効率表面処理開発、塗装・接着困難なTPC対応」とリーチ氏。プラズマ処理実績も。年20万個塗装、7万個エッジシール実施。

「RAPMプログラム等研究へ多額投資、熱可塑性複合材研究センター（TPRC、オランダ・エンスヘデ）メンバー」と継続。ATCはTPRC10周年記念会議「熱可塑性複合材の未来」（10月8日、オランダ・トウェンテ大学）参加。共同会長コービン・チェンバーレイン氏がパネル登壇、展示会で同社製造航空宇宙構造部品デモ実施予定。

フィッティング装着済み塗装熱可塑性複合材チャンネル。出典：ATC Manufacturing

ファブリックからUDテープへ、成形と高速サイクル

ATCのTPCブラケット・クリップ製造はファブリック強化から開始したが、現在は単方向（UD）テープへ移行。「UDテープで3D部品成形の良好な経験蓄積済みだったため、より大型構造部品へ展開可能に」とリーチ氏。「これら部品（厚み1-2mm〜6.5mm）は他構造と嵌合必要。フェイング面等厳しい寸法公差要求：プロファイル公差±0.010インチ（0.25mm）、角度公差±0.5度」

長尺TPCプロファイル開発も着手。「連続圧縮成形（CCM）で自社フラットラミネートストック製造」とリーチ氏。「フラットラミネート用CCM機2台、TPCプリプレグを連続3Dプロファイルへ成形するCCM機1台（最大75フィート長チャンネル製造可能）」

連続圧縮成形（CCM）で熱可塑性複合材プロファイル成形中。出典：ATC Manufacturing

3Dプロファイル・形状成形の課題について、ATC Manufacturing R&Dエンジニアリングディレクター、トレバー・マクレア氏説明：「ファブリックでは織り構造が変形制御。UDでは異なるダイナミクス。例：半径方向90°で薄肉化・厚肉化傾向、構造部品では不可。形状複雑化で悪化。成形プロセス管理もより困難」

プロセス管理？「熱硬化性成形と大きく異なるのは、成形にわずか2秒しかないこと」とマクレア氏。「オートクレーブサイクルでは多くの欠陥カバー可能。だが超高速成形・スタンピングではその余地なし。結晶化管理も必須」高荷重航空機構造には半結晶性熱可塑性マトリックスポリマー（PEEK、PEKK、低融点PAEK等）使用、結晶構造が発達して冷却時に顕著な機械的特性・耐薬品性発現。「等温結晶化可能だが、平板なら容易でも3D形状では困難。材料を成形に十分加熱（融点300-400℃）しつつ、熱サイクル回避のためホットデモールドへ急速冷却、同時に形状・公差・結晶化・表面仕上げ管理必須」

TPC部品近年成長の理由の一つ：極めて高速サイクルタイム実現能力。「軍用航空機デモ用リブを5分サイクルで製造実績、平均サイクル約10分」とリーチ氏。「航空機OEMが求める高生産レート実現可能」平均サイクル極めて短いため部品ミックス常時変化。「単一部品を数ヶ月継続生産したいが、我々のレート能力が航空機製造ペース上回る」とマクレア氏。「常に多品種ローテーション生産」ATC製造は主に1シフト/日、週5日。「増産余力十分」とリーチ氏。

熱可塑性複合材構造ストラップと塗装プロファイル。出典：ATC Manufacturing

将来ビジョン

ATCは10年超のTPC生産経験で顕著な価値提供。「顧客の製造向け設計（DFM）支援頻繁」とリーチ氏。「熱硬化性複合材からの転換案件多い。例：胴体一次構造フィッティング、元厚維持で製造。但TPC向け設計なら大幅軽量化可能」なぜ？「半結晶性TPマトリックス材料が高性能だから」と説明。「マイクロクラック・損傷許容設計不要（熱硬化性マトリックスでは必須）、ホット/ウェットノックダウン大幅低減。実際PEEK/PEKK/PAEKではウェットノックダウンゼロ。ホットノックダウンもTg付近（典型≒150℃）除き発生せず。標準開孔圧縮（OHC）試験（室温→120℃移行時強度評価）でもノックダウンほぼゼロ」

「現行第1世代複合材設計（ボイング787、エアバスA350等ワイドボディ機）に含まれるアルミニウム・チタン大幅削減、より薄肉部品設計可能になる」とマクレア氏。「これら材料の成形技術前進継続、新用途開拓へ」

リーチ氏は将来航空機応用へ大きなインパクト確信。「熱硬化性では要求特性・生産レート実現不能な部品が、今TPCで実現可能になりつつある」

詳細：ATC ManufacturingがCAMX 2019で技術論文「Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures」（著者：コービン・チェンバーレイン、デビッド・リーチ、トレバー・マクレア）発表予定。熱可塑性材料・応用セッション、9月25日（水）16:00、ルーム210C。

SAMPE 2019（5月4-7日、シャーロット）クローズドセッションでボーイングと共同論文「Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts」発表済み。拙ブログ参照：https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications