熱可塑性複合材が民間航空機に革命をもたらす段階に

熱可塑性複合材（TPC）は航空宇宙分野では新しい材料ではありませんが、過去数年で民間航空機での熱可塑性材料使用がティッピングポイントに達しました。TPCは長らくクリップやブラケット、小型内装部品などの小さな部品に使用されてきましたが、より大型の航空機構造物への採用が段階的に進み、今や民間航空機の将来でより大きな役割を果たす態勢が整っています。

2018年3月、世界最大のカーボンファイバー製造企業である東レインダストリーズ（日本・東京）が、テンケート・アドバンスト・コンポジッツ（米国カリフォルニア州モーガンヒル、オランダ・ネイフェルダル）を9億3000万ユーロで買収しました（テンケートはその後東レ・アドバンスト・コンポジッツに社名変更）。この動きは、次世代民間航空機開発の波に備え、東レの熱可塑性能力を強化する狙いがあったと見られます。その直後、ヘクセル（米国コネチカット州スタンフォード）とアルケマ（米国ペンシルベニア州キングオブプルシア）が、ヘクセルのカーボンファイバー製造技術とアルケマのポリエーテルケトンケトン（PEKK）樹脂専門知識を組み合わせ、航空宇宙向け熱可塑性複合材ソリューションを開発する戦略的提携を発表しました。そして年間を通じて、熱可塑性材料のパズルのいくつかのピースがはまるように見えました。

2018年4月、プレミアム・アエロテック（ドイツ・アウクスブルク）が、エアバス（フランス・トゥールーズ）A320向けにカーボンファイバーを熱可塑性マトリックスで開発・製造した圧力隔壁デモ機を発表しました。このデモ機は8つの溶接セグメントで構成され、熱可塑性材料の溶接性がより大型の航空機部品を可能にする潜在能力を示しています（プレミアム・アエロテックのA320圧力隔壁デモ機の詳細はこちら）。

2018年8月、ソルベイ（米国ジョージア州アルファレッタ）、プレミアム・アエロテック、フォルシア・クリーン・モビリティ（米国オハイオ州コロンバス）が、航空宇宙と自動車市場向け熱可塑性複合材の大量生産を可能にする材料・プロセス技術開発に焦点を当てたコンソーシアム「IRG CosiMo（持続可能なモビリティのための複合材産業研究グループ）」を発足しました。このコンソーシアムは、材料から機械、自動車・航空宇宙用途まで、熱可塑性複合材プロセスチェーン全体の企業を結集しています（IRG CosiMoコンソーシアムの詳細はこちら）。

ソルベイは、GKNフォッカー（オランダ・ホーフェフェン）と提携し、2017年6月から大型航空宇宙構造物向けTPCの技術向上と普及を推進してきました。2017年9月にPEKKポリマー生産を開始し、2018年にUD熱可塑性テープ適格生産能力を倍増。2019年初めには、次世代材料開発を目的とした専用TPC研究ラボをアルファレッタに開設。2019年後半に新UDテープラインの適格性評価開始を計画しています。

帝人株式会社（日本・東京）は2019年1月、同社のTENAXカーボンファイバーとカーボンファイバー/熱可塑性UDプリプレグテープ（TENAX TPUD）が、ボイング（米国イリノイ州シカゴ）から一次構造部品向け中間先進複合材として認定されたと発表しました（詳細ニュースはこちら）。

これらと類似の技術・材料が進展するにつれ、航空宇宙業界が今後数年・数十年でどのような姿になるかが徐々に明確になってきます。TPCの役割は、その絵図の中でますます大きな部分を占めるようになっています。

ファブリケーターは、熱可塑性材料の製造メリットと高速処理時間を活用し、胴体パネルやリブなどのより大型構造物の製造を開始しようとしています。また、熱可塑性材料は高い破壊靭性、優れた機械的特性、リサイクル性、低炎・低煙・低毒性（FST）、常温保存可能という利点があります。OEMと航空宇宙ティアサプライヤーが熱可塑性材料に精通するにつれ、より複雑な部品、溶接組立、一次構造への採用が進んでいます。

東レ・アドバンスト・コンポジッツ（旧テンケート）マネージングディレクターのスティーブ・ミード氏によれば、「主要航空機メーカーは、アルミニウムの生産レート能力とカーボンファイバー系材料の軽量化能力を両立する材料ソリューションを求めており、熱可塑性材料がそのギャップを埋めます。」

TPCのプロセス適性

TPCが航空機プログラムで地位を確立しつつある大きな理由は、そのプロセス適性にあります。熱可塑性材料はすでに完全に重合されているため、硬化が必要な熱硬化性樹脂より高速生産が可能です。

「熱硬化性部品の製造時間と熱可塑性複合材部品の製造時間を比較すると、熱可塑性は約10倍速いです」と、複合材業界コンサルタントのCompositeTechs LLC（米国マサチューセッツ州エイムズベリー）社長兼CEO、マイク・ファヴァロロ氏は語ります。

熱可塑性自動ファイバープレイスメント（AFP）の大きな利点は、特に硬化サイクルがないため、熱硬化性AFPと比較して処理時間が速く、生産レートが高いことです。インサイチュ積層とオートクレーブ外（OOA）後凝固によるコスト削減が見込めます。さらに、オートクレーブを排除することで、より大型構造物の開発が可能になります。

ATCマニュファクチャリング（米国アイダホ州ポストフォールズ）ビジネス開発ディレクターのデビッド・リーチ氏は、熱可塑性材料の単価が熱硬化性を上回ることを認めつつも、TPC材料価格は下がると主張します。さらに、処理効率によって現在コスト削減の機会があると指摘。複合材業界の一般的なコンセンサスでは、OOA熱可塑性プロセスは現在、熱硬化性と比較して30%以上のコスト削減を提供するとされています。

「熱可塑性材料は、機体が量産段階に入った後でもプログラムに採用されつつあります」とリーチ氏は指摘します。「これは熱可塑性材料のコストメリットの証左です。」

高性能マトリックスポリマーの潜在能力は、現在市場にあるものを超えています。ソルベイのウルトラポリマー材料責任者、ダグ・ブラデマイヤー氏は、同社が社内およびパートナーと協力し、さまざまな製造プロセスにカスタマイズされた調整済みポリマーの開発に取り組んでいると述べています。

「これらの調整済みPAEKソリューションに期待しており、お客様のニーズに基づき、世界規模の設備で迅速に商業化できます」とブラデマイヤー氏。

低融点PAEK

航空機OEMとサプライヤーがより高い生産レートと短いサイクルタイムを求める中、プロセス適性が鍵となります。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、最大のデータベースと最も広範な認定実績を持つため、長らく好まれる熱可塑性ポリマーでしたが、ファヴァロロ氏によると、低融点ポリアリルエーテルケトン（LM PAEK）は、ATLなどの自動化処理法でいくつかの利点を提供します。

「PEEKはスタンプ成形と連続成形で処理可能ですが、LM PAEKはより低温で処理でき、作業粘度が低いため自動処理に適し、結晶化度が低いため残留成形応力が減少します」と同氏。「最終目標は、ATLマシンでテープを積層して完了させることです。適切な結晶化度、良好なプロセスウィンドウ、良好な積層速度が必要です。」

LM PAEKのプロセスウィンドウは350-385℃と広範囲です。参考までに、ポリフェニレンサルファイド（PPS）の処理温度は330-350℃、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）とPEEKはそれぞれ380℃と400℃です。

「この材料がこれほど注目されているのは、そのプロセス適性のためです」と、東レ・アドバンスト・コンポジッツのチーフテクニカルオフィサー、スコット・アンガー氏。東レ・アドバンスト・コンポジッツはビクトレックス（英国・ランカシャー）と協力し、LM PAEKを使用したUDテープ「Cetex TC1225」を製造しました。

「TC1225開発の意図は、PPSに近い温度で容易に処理でき、エンドユーザーにとって有利なコストポジションを持ち、PEEKの機械的特性と耐流体特性を備えた製品を作ることでした」とアンガー氏。「TC1225 LM PAEKで、これらすべての目標を達成したと感じています。」

Cetex TC1225は現在、先進材料性能国立センター（NCAMP、米国カンザス州ウィチタ）で認定審査中です。さらに、東レによると、主要航空機メーカー2社による認定プログラムと、エアタクシーや都市型航空モビリティなど新興市場に基づく認定プログラムが複数進行中です。

LM PAEK使用テープは、改善された積層速度をもたらすと報告されています。ビクトレックスの航空宇宙SBUディレクター、ティム・ヘル氏は、「インサイチュAFPとオートクレーブ外凝固AFPの両方で達成できる積層レートは前例のないものです」と述べています。オーブン凝固パネルで分速60メートル、インサイチュ凝固で分速20メートルが可能とのことです。

品質面では、アンガー氏は低融点PAEKが、ファイバープレイスメント後のオーブン凝固を経た積層板と同等の積層品質をインサイチュファイバープレイスメントで実現できると主張しています。

複合材接合

TPCの溶接性は、航空機開発への採用における大きな利点です。融着/溶接は、熱硬化性複合材部品の接合に用いられる機械的締結と接着剤使用の代替手段となります。

ソルベイの製品開発ディレクター、スティーブン・ハインツ氏は、「接合と溶接は将来の組立で主要な役割を果たし、エアロストラクチャーのコスト削減と信頼性向上の可能性を秘めています。GKNフォッカーのような企業が溶接実証でリードしています」と語ります。

GKNフォッカー（オランダ・ホーフェフェン）は長らくTPC溶接開発に取り組んできており、1990年代から熱可塑性材料の抵抗溶接実験を開始。リーディングエッジ内部リブとスキンの接合に熱可塑性溶接プロセスを使用してきました。JEC World 2019では、ソルベイのAPC（PEKK-FC）UDテープを使用した面積規則熱可塑性複合材胴体パネルを展示。このパネルは、GKNフォッカーとガルフストリーム・エアロスペース（米国ジョージア州サバンナ）の共同R&Dプロジェクトの成果で、シンプルな「突き合わせ継手」オルソグリッド補強と完全溶接フレームにより、最低コストの複合材パネルと報告されています。

「熱可塑性材料では、オルソグリッドを『突き合わせ継手』でグリッドとスキンに大幅に簡素化できます」と、GKNフォッカーの熱可塑性複合材技術開発責任者、アント・オフリンガ氏は説明します。「グリッドは今や、スキン積層板と共凝固されるシンプルな平面プリフォームのみで構成される低コスト・一体化補強シェルとなります。フレームはグリッドに溶接されます。これらの溶接はせん断荷重を受けるため、すべてのボルトを省略することが可能です。」

溶接熱可塑性構造は以前から航空機で使用されてきましたが、この技術は今や一次構造への採用に十分成熟したようです。マイク・ファヴァロロ氏は、航空宇宙ファブリケーターとOEMがTPC、特にプロセス制御に自信を深めていると考えています。「10年スパンで見れば、 훨씬 더 많이 채택될 것」と同氏。

溶接技術の詳細は、ジンジャー・ガーディナーの記事「熱可塑性複合材の溶接」をご覧ください。

ツールレス製造

熱可塑性材料の利用を加速させるもう一つの革新は、ツールレス複合材製造です。名前が示す通り、従来の金型とツーリングを不要とし、ロボティクスで置き換える概念です。

航空宇宙メーカーのゼネラル・アトミックス・エアロノーティカル・システムズ（GA-ASI、米国カリフォルニア州サンディエゴ）が、熱可塑性複合材構造物の製造向けにこのようなプロセスを開発中です。コンポジット・オートメーションLLC（米国フロリダ州ケープコーラル）がミクロサム（マケドニア・プリレプ）の装置を使用し、GA-ASIと協力して自動化を開発しました。このプロセスは、協働する2台の6軸ロボットで熱可塑性テープを配置します。1台は標準的なUDテープ配置システムで、レーザー加熱により熱可塑性材料のインサイチュ凝固を実行。もう1台はサポート役で、ATLの対向側で可動ツーリング面を提供し、ATLがテープを配置します（詳細は「ゼネラル・アトミックス、ツールレス熱可塑性複合材プロセスを開発」参照）。

リサイクル性

TPCのもう一つのメリットはリサイクル性です。熱可塑性ポリマーは再溶融・再成形可能なため、複数の企業がTPCを材料再利用の手段として注目しています。

そのようなリサイクルイニシアチブの一つが、熱可塑性複合材アプリケーションセンター（TPAC、オランダ・エンスヘデ）と熱可塑性複合材研究センター（TPRC、オランダ・エンスヘデ）によって運営されており、TPC加工から出る生産スクラップの回収から粉砕、再処理、応用までの再利用に焦点を当てています。TPC-Cycleプロジェクトは、ハイエンド・大量市場向けに手頃で環境に優しいリサイクルルートを開発し、元の熱可塑性材料の機械的特性を可能な限り保持した材料を生産することを目指しています。短サイクルタイム、ネットシェイプ製造、複雑形状の生産が可能とされています。

この協力には、材料、製造、設計、応用のバリューチェーンから、GKNフォッカー、東レ・アドバンスト・コンポジッツ、カトー・コンポジット・イノベーションズ（オランダ・レーデン）、ダッチ・サーモプラスチック・コンポーネンツ（オランダ・アルメレ）、ニド・リサイクリングテクニック（オランダ・ネイフェルダル）など複数の産業パートナーが参加しています。

適材適所：仕事に合った材料選択

これらの材料への期待の喧騒の中で浮かぶ疑問は、「TPCは到達したのか？」です。ティア1およびティア2航空宇宙サプライヤーが熱可塑性材料に投資し、中小サプライヤーからの関心と投資も増えています。IRG CosiMoのようなコンソーシアムが、航空宇宙と自動車の両市場を見据え、大量生産を実現するプロセス技術を推進しています。

「これはトリフェクタ（三冠）です」とミード氏。「OEMが投資し、機械メーカーが投資し、適切な材料が開発された。レシピのすべての要素が揃いつつあります。」

より大きな視点で見れば、次世代航空機での材料採用にこれは何を意味するのか？ 結局、未来の航空機での採用を巡って多数の材料が競合しており、イノベーションは減速していません。熱硬化性複合材も進化し続け、アルミニウムとチタンも役割を果たし続けます。

「航空機メーカーが熱可塑性材料で認定基盤を構築すれば、彼らには選択肢が生まれます」とアンガー氏。「その選択は、対象コンポーネントや構造物の生産レートとコスト要件を満たしつつ、与えられた用途に最も適した材料を選ぶことに基づくでしょう。商業航空の将来を見据えると、航空機メーカーは『適材適所』を行うようになると私は信じています。ある材料が、最も適切な構造を最小コストで実現し、プログラムのビルドレート要件を満たせば、その材料が航空機に採用されるでしょう。」

次世代航空機製造

商業航空業界は今後20年で倍増すると予測されており、旅客機と貨物機の需要に応えるには新技術と前例のない製造レートが必要です。

次世代航空機を形作る材料とプロセスについて、『CompositesWorld』、『Modern Machine Shop』、『Additive Manufacturing』の記事コレクションで詳しく解説しています。無料で読む・ダウンロードできます。詳細はこちら。