DARPA、防衛用途向け低コスト複合材料実現へTFFイニシアチブ開始

米国国防総省（DoD）の一部門である国防高等研究計画局（DARPA、バージニア州アーリントン）は、複合材技術の発展において長い歴史を持っています。これには、「推進用アフォーダブル複合材」、「オートクレーブ外材料」（防衛業界で5320-1系プリプレグの広範な使用につながった）、そして最近では接着複合材一次構造向け「TRUSTプログラム」などが含まれます。

TFFプログラム概要。 出典：「複合材料と設計ツールの進歩」Jan Vandenbrande、防衛科学局（DSO）プログラムマネージャー、DARPA、SAMPE 2019（5月20-23日、米国ノースカロライナ州シャーロット）

2015年に開始されたDARPAの「調整可能原料と成形（TFF）」プログラムは、20ポンド未満の複合材部品を迅速・低コスト・アジャイルに製造することを目的としています。複合材部品は、自動ファイバープレイスメントやテープ積層などのプロセスで、大型の補強皮膜部品では金属に対して優れたトレードオフを示します。しかし、典型的な戦術軍用機では、機体構造を構成する部品の約80%が20ポンド未満です。これらの大部分は金属製で、複合材がトレードスタディで勝てるのは20ポンド以上の防衛部品のみです。

これに対処するため、TFFは「成形用調整可能ユニバーサル原料（TuFF）」を開発しています。これは、特定長にカットされた従来のPAN基カーボンファイバー（最終的にはピッチカーボンファイバー使用を目指す）と高度に配向した不連続繊維を使用し、長さ、表面改質、マトリックス、他材料とのハイブリッド化を調整可能で、スタンピングなどの高速プロセスで金属板のような成形性を実現する材料です。TuFFサブプログラムはデラウェア大学（UD、デラウェア州ニューアーク）が主導しています。

成形用調整可能ユニバーサル原料（TuFF）材料の目標性能。出典：「複合材料と設計ツールの進歩」Jan Vandenbrande、SAMPE 2019。

成形・モールディングプロセス比較

TuFFの製造面での並行プログラムが、ボーイング社（米国イリノイ州シカゴ）主導の成形サブプログラム「高性能迅速モールディング（RAPM）」です。RAPMのパートナーには、航空宇宙で知られる企業である材料サプライヤーのソルベイ（米国ジョージア州アルファレッタ、ベルギー・ブリュッセル）、熱可塑性複合材構造専門の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）だけでなく、自動車・産業市場で知られるSGLカーボン（ドイツ・ヴィースバーデン）、ピクセル温度制御専門のサーフェス・ジェネレーション（英国・ラトランド・オークハム）なども含まれます。サーフェス・ジェネレーションは、圧縮成形ノートパソコン、射出成形プラスチック、多様な複合材部品・プロセス向け自動モールディングシステムを提供しています。

RAPMは複数のデモ部品で複数成形手法を比較。出典：「複合材料と設計ツールの進歩」Jan Vandenbrande、SAMPE 2019。

SAMPE 2019での成果発表

TuFFとRAPMの両方がSAMPE 2019で成果を発表しました。総計14件の発表があり、新材料の材料特性試験と、一連の挑戦的なデモ部品の成形実証が含まれます。後者により、材料とプロセスの並列比較が可能になりました。これには熱可塑性複合材スタンプ成形と熱硬化性樹脂移転成形（RTM）、自動車向け高圧RTM（HP-RTM）からアウディとフォイト・コンポジッツが使用する超低圧RTM類似プロセスまでの開発が含まれます。また、2D補強材を保持して3D形状のプリフォーミング/成形時のシワ等欠陥を防ぐスプリングロードフレームを用いたプロセスも開発されました。すべてのプロセスでツール上サイクルタイム30分未満のベンチマークを設定。熱可塑性複合材スタンピングでは、5分という低サイクルタイムを達成した部品もあります。

SAMPE 2019 TFF発表選択

• TUFF複合材ブランクの成形性 — シュリダール・ヤルラガッダ、デラウェア大学複合材センター（UD-CCM）
• 高配向高性能短繊維複合材へのCFRPクローズドループリサイクル — ダーク・ハイダー、UD-CCM
• X線CTによる繊維配向評価 — ジェニファー・シーティンス、米国陸軍研究所
• 小型部品向け高性能迅速モールディング（RAPM） — ゲイル・ハーン、ボーイング社
• レジン移転成形による深絞り複雑部品の製造 — トム・ツォツィス、ボーイング社
• スプリングフレームプレスによる航空宇宙生産部品製造 — ティモシー・ルチーニ、ボーイング社
• 構造熱可塑性複合材部品の高性能迅速モールディング — ゲイル・ハーン、ボーイング社
• 小型複合材部品モールディングの製造セルコストアジャイル分析 — ダニエル・チャールズ、ボーイング社

サーフェス・ジェネレーション自動モールディングセル

RAPMはまた、サーフェス・ジェネレーションの特許取得済みPtFSシステムを、ニアネットシェイプおよびネットシェイプ航空宇宙熱硬化性・熱可塑性複合材加工用途で評価しました。このセルはプリプレグ、オルガノシート、ドライファイバー（樹脂注入用）を処理します。

暫定的な知見は、「柔軟な複合材製造ワークセルのためのスケーラブル動的制御アーキテクチャの開発」スティーブン・シューチュク、ボーイング社で詳述されています。

サーフェス・ジェネレーションは、0.9メートル×0.9メートルまでの複合材部品製造が可能な、完全統合型オーダーメイドPtFSクランピング・ツーリング・モールディングセルをRAPMチームに提供しました。このセルは数分で異なる部品生産に再構成可能で、真空、樹脂注入、プレスクレーブ熱硬化性、熱可塑性複合材凝固など複数の構成でテスト済みです。幅広い部品加工データ履歴を持ち、等温およびサイクリック処理のミックスにも対応可能です。