ゼロウェイスト革新：プリプレグ・テープ端材をリサイクルする新プロセスと装置

プリプレグ生地や単方向（UD）テープのキッティングにおける課題の一つは、別プロジェクトへの再利用には小さすぎたり繊維配向が不適切なトリミング屑をどう処理するかです。ネスティングソフトウェアとカッターでスクラップは大幅に削減されましたが、トリミング屑は依然として多くが埋め立て処分され、材料・部品コストと環境負荷を増やしています。しかし、オランダ企業Van Wees UD and Crossply Technology BV（オランダ・ティルブルグ）が、熱可塑性テープ端材を再利用する新技術とそれを可能にする機械を開発し、持続可能性向上に貢献しています。

テキスタイルのルーツ

1945年創業でテキスタイル業界に深いルーツを持つVan Weesは、先進複合材（熱硬化性または熱可塑性、カーボンまたはガラス繊維）の生産機械とラインの設計、製造、設置、コミッショニングを行うフルサービスプロバイダーで、高品質・大量生産手法に注力しています。同社はプリプレグ含浸ライン（クリール含む）を製造します。熱硬化性側では主にエポキシ、熱可塑性側ではポリプロピレン（PP）から高温ポリアミド（PA）までの材料に対応。また、クロスプライと多軸UDテープ配置マシンも製造し、熱可塑性または熱硬化性テープのいずれも処理可能です。姉妹会社Eltra Engineering BV（ティルブルグも同じ）は産業オートメーション技術を専門とし、Van Weesマシンの電気制御とソフトウェアを供給しています。

研究技術センター（R&TC）では、自社プロセス開発用およびVan Weesシステム検討中の顧客や、自社マシン建設待ちで操作を学習中の顧客向けに、生産スケール設備を維持しています。これにより顧客は評価用材料を製造でき、さらに自社顧客への評価提供も可能です。例えばR&TCでは、クリールからトウを引き出し、繊維をスプレッド・含浸させてテープを製造、それをクロスプライや多軸UDマシンに供給し、多様な積層枚数と繊維配向のラミネートを製造できます。（クロスプライラミネートは0/90度で少なくとも2プライ、多軸UDラミネートは0/90度以外の角度で少なくとも2つのUDプライを持ちます。）これらのマシンから出るラミネートは取り扱い容易さのためタックされます。次にダイカットでネットシェイププリフォームに加工し、複合材部品への加工準備が整います。Van Weesのクロスプライ・多軸UD装置の焦点はUD熱可塑性テープ生産ですが、熱硬化性マトリックスや、UD強化材ではなく生地でのテープ生産にも使用可能です。

興味深いことに、顧客テスト用これらの製品製造における自社スクラップ問題と顧客要望が、会社研究者たちを「ゼロウェイストプロセス」開発に導きました。テーラードファイバーブランクを使用したプリフォーム生産から出るチップ/端材をリサイクルするものです。サービスとして、顧客にこれらのチップベース熱可塑性ブランクの評価機会を提供し、大量生産で商業生産可能な装置もすでに開発しています。

無駄にせず、欲しがらず

ネットシェイププリフォーム（Van Weesでは「パッチ」と呼ぶ）製造のダイカット作業中、スクラップ材料を回収し樹脂と繊維タイプ別に分別します。このスクラップは不規則な形状とサイズなので、ダイカッターは最大50×50ミリメートルの「チップ」を生産するよう設計されています。チョップドチップを圧縮または真空成形で凝固シートにプレスし、ランダム配向不連続繊維のラミネートを作ります。シート製造に追加樹脂は不要で、化学的に互換性のある樹脂のチップのみ混合しますが、最終部品で求める特性によりガラス繊維とカーボンファイバー強化チップを組み合わせることも可能です。

ラミネート内の個々チップの繊維長が最大50ミリメートル、シート全体で繊維配向がランダムであるため、100%リサイクル・ゼロウェイスト・テーラードブランクは、短繊維射出成形コンパウンドと比較して良好で直交異方性の剛性と強度を提供します。ただし、ラミネートの不連続繊維束の繊維重量分率が50-70%（初期処方では高い側）になるため、材料は圧縮プレスではほとんど流動しません。したがって、2.5Dまたは3D形状を充填するには、チップベースラミネートを短繊維またはネートレジンで射出成形機でオーバーモールドする必要があります。圧縮プレスで連続繊維材料と共成形することも可能です。いずれの場合も、ラミネートは成形前予熱が必要です。

興味深いことに、Van Weesはチップベースパネルが、同一繊維・樹脂構成の高性能連続繊維クロスプライパネルの曲げ強度とモジュラスの半分を維持することを発見しました。

コンセプト実証

ゼロウェイステーラードブランクの能力を示すため、Van Weesはいくつかのデモプロジェクトを実施しました。一つは乗用車ドア内張り用剛性/クラッシュビーム。これは、さまざまな業界向け量産軽量複合材部品を開発したLipaシリーズプロジェクトに基づいています。現在は非活動のスイス・ビュッスリンゲン拠点コンソーシアムが、連続繊維オルガノシート/ガラスマット熱可塑性（GMT）複合材のプリフォーミングと、繊維強化樹脂でのバックフィリング（射出成形機）というコア技術を構築しました。

Van Weesのデモビーム（側面衝突/侵入規制対応部品）は長さ約650ミリ、幅110ミリ、公称肉厚3ミリ、ベンチマーク材料である3ミリガラス生地強化PA6で約450グラム。中央に高さ40ミリのドーム構造を備えます。オルガノシートクラッシュビームではアプリケーション要件の吸収エネルギーが不足したため、Van Wees研究者たちは同じ肉厚（既存金型使用）、サイクルタイム1分未満、ゼロウェイストで総合性能向上を試みました。

複数ポリマーサプライヤーと協力し、Van Weesは社内でガラス繊維/PA4/10、ガラス繊維/PP、カーボンファイバー/PP、ガラス+カーボンファイバー/PPなど複数ポリマーと強化材でUDテープを製造。マッチングする短繊維射出オーバーモールディングコンパウンドは樹脂サプライヤーが製造。シミュレーションでテーラードブランケットの個々UDプライ枚数と配向を評価し、性能要件充足・超過を検証。次にテープで連続繊維ラミネートを製造し、クラッシュビームを生産。CAE結果はガラス繊維/PA4/10テーラードブランクが生地/オルガノシートより低コストで最良特性を予測、物理試験で確認されました。

廃棄物とコスト削減機会をさらに探るため、研究者たちは連続繊維ラミネート製造から出るスクラップ（約30%切断ロス）を再利用し、クラッシュビームを製造。この材料を1ミリ厚チップベースラミネートにリサイクルし、多軸UDマシンで製造したより多くのUD材料「スキン」の間にコア層（3 UDプライ置換）として使用。興味深いことに、限定サンプルサイズでの予備試験では、連続・不連続強化材ミックスのハイブリッドラミネートで、フル連続強化ラミネートと比較して性能低下はほぼ見られませんでした。

チームの追加計算では、Lipaシリーズチームが開発した1分複合材オーバーモールディングプロセスを使用し、Van Weesの生産目標である年間200万本クラッシュビーム達成が可能と示唆。Van Weesテーラードブランケット生産ラインの速度（多軸UDマシンで時間当たり1,800パッチ、クロスプライマシンで時間当たり1,260パッチ）を考慮すると、スクラップをチップベースラミネートに変換する追加装置でゼロウェイスト生産システムが構築でき、生産量を30%増の年間260万個に拡大可能。皮肉にも、この生産シーケンスでは射出成形機がレート制限ステップになるとのこと（これは珍しい）。

会社研究者たちが実施したもう一つの迅速プロジェクトは、Van Wees本社会議室用複合材フェイスドアハンドル開発。最終複合材インサートは、昨年の複合材オーバーモールディング会議で出席者が閲覧可能でした。

「共同開発とイノベーションが現代産業の推進力です」と、Van Weesディレクターのリーン・ファン・デン・アケル氏。「サプライチェーンのすべてのプレーヤーとの共同開発が最重要と考えます。金属は我々業界の競合相手で、最も合理的な方法で製造されています。したがって、知的プロセスと装置によってのみ、軽量複合材製品を大量用途に導入できます。」サプライチェーンメンバーの共同努力によってのみ、熱硬化性と熱可塑性複合材部品のゼロウェイスト生産が可能になると強調。「Van Weesは製品・プロセス開発で関心ある当事者を支援します。」