工具不要の樹脂インフュージョンでクラスA複合部品を実現

クラスA仕上げの複合部品を製造することは、もはや聖杯ではありません。多くの企業が日常的にこれを行っています。しかし、高価な工具やゲルコートを使用せず、かつ1時間あたり1部品のペースで樹脂インフュージョンで行うのは、ユニークなことです。

プラスチックから複合材へ

Plastics Unlimitedは25年前、TerryとNancy Kiefferによって設立されたと、息子でセールス&マーケティングディレクターのDakota Kieffer氏は説明します。「彼らはアイオワ州の農家で、新しい成長産業を探していました」と彼は言います。「溶接や木工よりプラスチックの方が良いと考え、近所の人と競争したくなかったのです。射出成形、回転成形、プラスチックリサイクルを見てきましたが、その後サーモフォーミングに出会い、それを深く理解しました。」（サーモフォーミングは、熱と真空/圧力を用いて熱可塑性シートを成形部品に形作るプロセスです。）

その後、Kieffer氏の両親はガラス繊維強化プラスチック（FRP）部品を製造する会社と接触しました。「FRPがいかに強いかを見ましたが、長い複数工程のプロセスが必要で、1部品あたり約4時間、つまり1日2部品しか生産できませんでした」と彼は続けます。「プラスチックでの生産と比較すると、それは遅すぎると感じました。当社では2〜6分ごとに部品を生産し、一度に5〜6部品、つまり1日数千部品を製造していました。」そこでKieffer氏の父親は、**サーモフォームされたプラスチックシェルを工具として使用する**というアイデアを思いつきました。

その結果、Plastics UnlimitedがTool-less Engineered Composite（TEC）と呼ぶ、工具不要の複合部品製造プロセスが生まれました。「ゲルコートと工具離型の工程を**両方**排除します」とKieffer氏。「また、サーモフォーミング時にクラスA表面を検査し、完璧であることを確認できます。」つまり、クラスA表面が複合積層の下に隠れることはありません。「必要なのは単一のサーモフォーミング工具だけで、プロセスはプラスチック部品のお客様にとっても依然として合理的でした。」

特許取得済み複合プロセス

Kieffer氏は、複合材は2つの材料を組み合わせて、単独の構成材料より優れた材料を作るものだと指摘します。「2種類の異なる材料と2つの異なるプロセスを組み合わせて、より良い製品を作っています。」プラスチック、樹脂、ガラス繊維で構成される、ユニークなメリットの組み合わせを提供する製品です。「プラスチックはゲルコートよりも衝撃性能がはるかに優れています」と彼は説明します。「プラスチックには任意のテクスチャやデザイン、例えば迷彩柄を印刷できます。プラスチックは研磨不要で深みのあるイメージを提供し、二次仕上げ工程を排除します。」

一方、オープンモールドプロセスでチョップドファイバーをスプレーするのと比較して、この特許技術は**より高い繊維含有率、より高い品質、無/低VOC（揮発性有機化合物）**を実現します。彼は、浴槽やスパ向けにプラスチックへチョップドファイバーをスプレーすることは特許対象ではないと指摘します。「当社は常に真空インフュージョンで製品のFRP部分を作ります」とKieffer氏。「当社の部品は滑らかな仕上げなので、コールプレートを用いた軽いRTMのようなものです。常に次のレベルを目指しています。お客様が問題を持って来られたら、そのニーズに合う解決策を見つけようとします。当社は非常に革新的で、新しい開発を特許化しています。」

事例部品

Plastics Unlimitedがこのプロセスで製造している部品の一つは、Deere & Company（米国イリノイ州モリーン）製John Deereコンバイン用のグレインタンク延長部です。「これはコンバインの最上部にある開口部で、穀物が置かれる部分です」とKieffer氏。「オリジナルのスチールタンクと比較して、当社製はより耐久性があります。内側は滑らかな仕上げ、外側はJohn Deereグリーンにコーナーの黒いインサートで仕上げています。利用可能な最大のグレインタンク延長部で、平らに折りたためます。競合他社よりもエンジニアリングされた製品で、剛性向上のためフォームとリブを追加しています。」一部スチール補強も必要ですが、これは実際に成形時に組み込まれるとKieffer氏。「二次的に接着されるのではありません。」

この材料とプロセスの組み合わせにより、完成部品に高い靭性が付与されます。「コンクリートブロックをこれらの部品に落とす動画があります」とKieffer氏。スチール金具を成形することで、業界標準のメタクリル酸メチル接着剤を使用した二次接着と比較して、引き抜き強度を4〜5倍にできるとのことです。

Plastics Unlimitedはこれらの部品を月産最大2,500個製造でき、一部パネルは5フィート×7フィートに達します。「このサイズを当社の方法で作らなければ、高価な工具が必要になります」とKieffer氏。TECはかなり大型部品（最大8フィート×11フィート）にも使用可能です。「当社部品はスチールより多くの形状と幾何学的特徴を持てます。これはお客様にとって重要で、スタイリングによる差別化を可能にします。UV耐性もほとんどのゲルコートより優れています。」

Plastics Unlimitedは、Harley-DavidsonやGehrテレスコピックリフトなど多くの企業に部品を供給しています。「ソフトタッチで革のような見た目と感触の部品も作れます」とKieffer氏。同社はNavistar向けトラック部品や、Winnebago向けレクリエーションビークル（RV）部品も製造しています。「年間10万個から数百個までの量産を好みます。」

Kieffer氏は、長繊維注入（LFI）と反応射出成形（RIM）が競合プロセスであることを認めますが、「それらの部品は当社ほど構造的ではありません。例えば、コンバインのグレインタンクは400ブッシェルを保持し、10トンの力がかかります。RIM部品は多く補強されていないため、この種の荷重要件を満たせず、RIM工具は非常に高価です。」

継続的開発

「お客様と多くのR&D作業を行っています」とKieffer氏。「さまざまな樹脂、フォーム、積層、補強層、仕上げを検討し、プロトタイプを提示して迅速にテストしてもらいます。部品をより製造しやすくし、コスト削減と性能向上、極端な高温・低温や衝撃などのさまざまな実用要件を満たすよう努めています。」

Plastics Unlimitedは10万平方フィートの生産スペースと75人の従業員（うち3人のエンジニア）を擁します。5軸Thermwood CNCマシンにより、社内工具製造と迅速なプロトタイピングが可能で、後者は開発期間短縮を求めるお客様にとって重要です。

「マストランジットや航空宇宙企業とも取り組んでいます」と彼は続けます。「多くの地下鉄内装は現在、ゲルコート付きFRPにアルミ構造が裏打ちされています。軽量かつ化粧面仕上げが必要です。医療、電気、建設など幅広い用途を検討しています。」

同社はカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）のサーモフォーミングも検討しています。「TepexとPolystrand材料を成形し、医療顧客とさまざまな開発に取り組んでいます」とKieffer氏。「Kydexなどの高級プラスチック材料を使用し、裏面をCF/エポキシで航空宇宙向けに、またはポリウレタン、ポリカーボネート、ABSなどの材料で、優れた外観仕上げとコスト効率を実現できます。これらのプラスチックの裏面には、ガラス繊維強化ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ積層を使用できます。」

Plastics Unlimitedはプラスチック、金属、複合材の交差点で事業を展開しています。「当社部品は通常、スチールより30〜40%軽量です。しかし、市場は複合材が何であり、何ができるかについてまだかなりの教育を必要としています。」それでも同社は将来の成長に大きな可能性を見ています。「すべての材料が互いに機能するわけではなく、特にすべての樹脂がすべてのプラスチックと機能するわけではありません」と彼は指摘します。「長年にわたり多くのテストと開発を行ってきたため、状況と可能性を非常によく理解しています。独自の専門知識とユニークなソリューションの範囲を提供しています。」