複合材製造の効率化を革新するエネルギー供給技術：ヘレウス・ノーブルライトのBlack.infraredとhumm3

これはCAMX 2019事前シリーズ第2弾ブログで、実際にCAMX 2018で展示された主要技術を紹介します。今回はヘレウス・ノーブルライトの複合材処理向け新システム「black.infrared」と、自動ファイバー配置（AFP）機でレーザーと赤外線ヒーターに代わる「humm3」技術に焦点を当てます。

光で革新

ヘレウス・ノーブルライトは光の力で幅広い産業プロセスを革新しています。背景として、すべての光は電磁放射（EMR）であり、固有の波長と周波数を持ちます（下図参照）。ヘレウス・ノーブルライトはこのスペクトルの広範囲、赤外線（IR）エミッターからLEDランプ、紫外線（UV）システム、アークランプ、フラッシュランプまで光を利用したデバイスを開発しています。

電磁スペクトル上の光を加熱・加工に利用。出典：https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram（左）とヘレウス（右）。

複合材分野ではUVと赤外線（IR）システムが数十年使用されてきました（下記例参照）。black.infraredシステムは新技術です。

• Sunrezが1990年代に樹脂インフュージョンと複合材修復向けUV硬化技術開発
• UV硬化エポキシコーティングは多業種で標準化
• UV硬化エポキシ樹脂は連続繊維3Dプリンティング先駆者（Continuous Composites、moi composites等）も採用
• IR加熱は自動複合材生産ラインで一般的：2Dテーラードブランクの予備成形前予熱、プリフォームのスタンピング・オーバーモールディング前予熱等

ヘレウス・ノーブルライトのblack.infrared複合材加熱システム。出典：ヘレウス・ノーブルライト

Black.infrared

ヘレウス・ノーブルライトがCAMX 2018で新「black.infrared」システムを展示。「中波長IRエミッターだが小体積で大電力供給」とヘレウス・ノーブルライト・アメリカLLC IRシステムシニアセールスマネージャー、ブルース・フリックス氏。同社本社はドイツ・ハナウ、米国IR・フラッシュランプ部門はジョージア州バッフォード、UVシステム部門はメリーランド州ゲイザーズバーグに所在。

「通常中波長IRエミッターは電力密度約60kW/m²だが、『Black IR』は200kW/m²達成。IRは対流炉より遥かに効率的に基材へエネルギー投入可能だが、Black IRは対流炉比3倍効率的。インライン処理ではコンベア速度3倍化または炉長1/3短縮可能。例：30フィート炉を10フィートに短縮」

現時点でblack.infrared適用：プラスチック溶接、薄膜（ミクロン厚）光起電力フィルム加熱（太陽電池）。「IR一般に原子層堆積で好適」とフリックス氏。「例：半導体用ガリウム・シリコンパターン堆積。これらは全て真空下実施。Black IRも真空・高温下で良好動作」

エミッター表面温度1000℃設計。「全固体デバイスなので700-800℃炉内設置でも耐久。より高温（1500℃以上）必要なら短波長IRが適す」

Black IRはライン・オブ・サイト技術。「平坦または単純凸凹面向き。内部・外部に影を落とす領域ある部品・材料が最大課題」

Black.infraredモジュール（左）と温度均一性サーモグラフィ（右）。出典：ヘレウス・ノーブルライト

Black IRの利点と複合材への潜在応用

Black.infraredはフィラメントベースIRエミッター（中心明るく側面暗い）ではなく、エミッターの2D平面全域で非常に均一なエネルギー分布実現（サイズ：40×400mm〜100×100mm）。「Black IRエミッターをタイル状配置し、最大400×400mm平面デバイス構築可能」

中波長IRデバイスのため比較的色盲（白vs黒）とフリックス氏。「黒材料を過熱しすぎず、黄色・白材料を過少加熱せず」。立ち上がり60秒未満。「ワット単価で他IRオプション比さほど高くない。IRは対流炉より高価だが、速度・効率・温度均一性（±5℃以内）提供」

Black IRは繊維、プリプレグ、複合材テープ製造、化学気相成長（CVD）プロセス（グラフェン等ナノ複合材製造等）への潜在適用可能。フリックス氏は材料メーカー・サプライヤーとの対話で更なる複合材応用開発・探索を希望。

熱硬化性プリプレグ、熱可塑性複合材、ドライファイバー複合材の自動ファイバー配置（AFP）向けhumm3システム。出典：ヘレウス・ノーブルライト

AFPでレーザーに代わるhumm3

ヘレウス・ノーブルライトがCAMX 2018で展示したもう一つの技術：熱硬化性プリプレグ、ドライファイバー、熱可塑性複合材テープのAFP向け「humm3」システム。キセノン充填フラッシュランプを秒間複数回パルス発光。拙稿2018年熱可塑性複合材インサイチュ統合第2部図2で、熱可塑性AFP用レーザー（紫光）と熱硬化性プリプレグAFP用IRヒーター（橙光）の違いを説明。humm3技術はこれら両者と異なる明るい白色光で差別化。

出典：ヘレウス・ノーブルライト

「IRランプは比較的安価だが低速、航空宇宙熱可塑性材料要求高温到達不可。一方レーザーは高速加熱・冷却可能だが高価、大がかりな安全対策必要。Humm3はAFP向け高速・安全・コンパクト・コスト効率良い加熱で市場ギャップ埋める」とヘレウス・ノーブルライト・humm3システム北南米セールスマネージャー、カイル・ハッドスペス氏。

ハッドスペス氏説明：humm3はAFPニップポイントへ幅広い温度範囲（50℃〜実測最大600℃）で均一加熱供給。3プログラマブルパラメータで精密制御可能：

• パルスエネルギー（大きさ）
• パルス持続時間（長さ）
• パルス周波数（秒間回数）

ロボットAFP機でのPEEK積層サーモグラフィ。右側humm3石英供給光学系が基材と供給材料間ニップポイントへ照射。6m/分速度で良好品質実績。出典：ヘレウス・ノーブルライト

加熱時間・温度はレーザーとほぼ同等だが、「保護レーザーブース不要で技術者が作業中にレイアップ近接可能」

カーボンファイバー強化ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）ラミネート処理試験で、humm3が航空宇宙複合材構造要求の約35%結晶化度と2%未満気孔率で高品質熱可塑性AFPラミネート製造可能実証。EU「Clean Sky 2」プログラム枠組みで、軽量生産技術センター（ZLP、ドイツ・シュターデ）がヘレウス・ノーブルライトと協業し、ドイツ航空宇宙センター（DLR）シュターデのマルチロボットGroFiシステムでhumm3開発中。熱可塑性複合材構造のAFPレート大幅向上と厳格品質要件両立目指す。

インフュージョン/RTM処理予定ドライファイバーラミネートでは、humm3で1m/秒積層速度、8本または16本（各0.25インチ幅）テープへの均一加熱実現可能とハッドスペス氏。300mm幅加熱を単一ランプで実現、humm3モジュラー電源・モジュラー設計と連携し、より大規模加熱ゾーン向けAFPシステムへさらに調整可能。humm3石英供給光学系もカスタマイズ可能で精密加熱ゾーン形状実現。

ヘキセルHiTapeドライファイバーテープ（左）とRTM6樹脂（右）使用の航空宇宙部品デモ。出典：ヘレウス・ノーブルライト

humm3システムは熱可塑性溶接、フィラメントワインディング、プリフォーム用複数複合材層タッキング等他複合材加工へも開発中。ハッドスペス氏注記：humm3は成熟・実証済み技術、ナショナルコンポジッツセンター（英国ブリストル）で2016年から実証、2015年英国クイーンズ・アワード・フォー・イノベーション受賞。

詳細：CAMXブースY47ヘレウス・ノーブルライトへ。

出典：ヘレウス・ノーブルライト