複合材製造に革命を起こし、新市場機会を開拓

同社の基盤は間違いなくフィラメントワインディングにありますが、CompoTechはピンベースワインディング、オーバーワインディング、革新的なツーリングと材料コンセプトでこのプロセスを新用途へ展開してきました。その結果、ハイブリダイゼーション（金属との融合など）や3Dプリント、独自の自動ファイバーレイアップ（AFL）などの製造手法と組み合わせ、性能の新たなレベルをしばしば達成するプロセスの流動性が生まれました。

 

CompoTechは産業機器（バキュームグリッパーアセンブリ、左上）や農業機器（スプレーブーム、右上）など幅広い用途向け部品を、チェコ・スシュツェ施設（下）で製造。出典：Bilsing Automation（グリッパー、左上）、Hardi International（スプレーブーム、右上）、CompoTech。

CompoTech（チェコ・スシュツェ）は1995年、オンドレイ・ウヘル氏とヴィテク・スプルドリック氏（現R&Dディレクターとテクニカルディレクター）によって設立されました。「当初はカヤックとカヌーのパドルシャフト製造用フィラメントワインディングマシンを自社技術で0°繊維軸方向巻き付け統合して構築しました」と、CompoTechビジネス開発ディレクターのハンフリー・カーター氏は説明します。「これが今やコアコンピタンシーです。この構造がより強く、より剛性が高く、繊維座屈耐性に優れた構造を生むことを実証しました。」

同社は接続用一体成型複合材フープの巻き付け能力も開発しました。これらはハンググライダースパーからドライブシャフト、産業コンポーネントまで多様な部品に使用されます。「CompoTechはマシンと制御ソフトウェアを設計します」とカーター氏。「プロセスを完全に制御できるため、設計をより最適化できます。設計基準に合わせてプロセス技術をオーダーメイド開発し、技術パートナーや複合材設計者・生産者にも提供可能です。例えば、サザン・スパーズ/ノース・マリーングループに技術ライセンス供与しています。」

 

CompoTechはピンに繊維を巻き付け（左）、一体化コネクタ付き構造物を製造（右）。出典：CompoTech

 

工作機械の設計

現在、同社は約50名を雇用し、うち約半数が設計・エンジニアリングです。チェコ工科大学（CTU、プラハ）と西ボヘミア大学（ピルゼン、チェコ）と強い連携があります。CompoTechは、農業散布機器用ブーム、風力ブレードチップ用シャフト、自転車フレーム・ホイール、自動車組立グリッパー用チューブ・フレーム、レーザーカッターとCNCマシン用軽量ガントリー部品など、幅広い用途の複合材ソリューションを開発してきました。

「2000年代初頭から工作機械セクターで活動しています。チェコではこの産業が盛んだからです」とカーター氏。「この業界は非常に保守的で複合材を知りません。だから工作機械展に出展し、教育しています。」この業界は、部品加速とフライス歯など切削面からの振動が加工精度と工具寿命を低下させることを知っています。CompoTechは、切削工具のハーモニクス（質量、剛性、印加荷重/力に基づく振動）が性能と生産性の制限要因になりがちだと説明します。あまり知られていないのは、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）をマシン構造と工具ホルダーに使用することで、鋼鉄比で質量減と剛性増が可能なことです。ピッチファイバー使用で、それぞれ25%軽量化と200%剛性向上（単方向繊維で400 GPa達成）を報告。これらは構造固有振動数を高め共振を防ぐ2つの主要手段です。これは、すでに振動しやすい回転部品と可変速機械の問題を悪化させる、構造が自ら振動する共振状態です。

 

CompoTechはCFRPと追加減衰材で、鋼鉄比で軽量化・剛性向上・減衰強化し振動防止。技術は工作機械ドリフトも低減し、加工性能と生産性向上。出典：CompoTech

「当社プロセスでCFRPを使用すると、オートクレーブ複合材比でも工作機械ドリフトを低減します。熱応力をより少なく誘導するためです」とカーター氏付け加えます。「工具ホルダーはしばしば長い細い梁で、設計と材料組成により経時変化します。これが工具の相対位置に影響し、精度を低下させます。」

減衰については、CompoTechは繊維とポリマー複合材の固有特性を超え、他材料を内包することで先駆的に取り組み、鋼鉄の12-20倍の減衰を実現し、振動を直接打ち消しその減衰を加速します（上記グラフ参照）。「減衰複合材設計で望ましい特性と性能を達成する10年以上の経験があります」とカーター氏。一例は、鋼鉄チャック比で大幅に少ないクランプ力で済む新ワークピースチャック設計。もう一つは、難削材インコネル718合金製航空機エンジン低圧タービン（LPT）ケーシング旋削用改良治具。EU資金INTEFIXプロジェクトを通じて、CompoTechは金属リングに代わるCFRPリングを開発し、治具のロケーターとして使用。剛性と機能に損失なく、ワークピース挙動改善と加工性能向上を実現。実質的に治具を知能化し、プロセス中に必要に応じてワークピースクランプを適応させられるようにしました。

 

CompoTechはCTU、KIMM、Samyang Reduction Gearと協力し、軽量化と騒音低減を実現する電気自動車用ハイブリッド金属/複合材ギアボックスとギアシャフトを開発。出典：CompoTech

CompoTechは電気自動車用ハイブリッド金属/複合材ギアボックスにも継続的に取り組んでおり、質量25%削減と固有振動数向上・減衰増による騒音低減を目指しています。このプロジェクト（2016年-2019年10月）は、チェコ工科大学（CTU、プラハ）、韓国機械材料研究院（KIMM、韓国・大田）、Samyang Reduction Gear Co. Ltd.（韓国・仁川）との共同です。ギアボックスメインボディは複合材で、ベアリング面に金属インサート。CompoTechがギアボックス上下ケースとギアシャフトを設計・製造。すべて複数部品で構成され、接着接合されます。CTUが試験とFE解析を提供、韓国パートナーが技術仕様提供と仕上げ・組立・試験を担当。

 

CompoTechはフィラメントワインディングと縦方向リブで単一体エルロンを開発（従来の隔壁リブ、プリプレグ、接着接合ではなく）、軽量で剥離耐性に優れた構造、特に後縁で実現。出典：Ginger Gardiner、CW at JEC 2019

 

剥離耐性エルロン

カーター氏は、工作機械向けR&Dの多くがエルロンのような新用途に応用されると説明します。Aero Vodochody AEROSPACE（チェコ・オドレナ・ヴォダ）L-39NGジェットトレーナー用エルロンです。「非常に要求の厳しい用途で、後縁に極めて高い圧力がかかります」と同氏。飛行荷重に加え、武装版では翼装ロケット発射時の圧力波も受けます。「従来複合材構造では、エルロン後縁で剥離が発生していました」とカーター氏。「接着接合をすべて排除し、ウェットフィラメントワインディングと共硬化で一体構造を構築しました。設計とプロセスステップに数か月費やしました。まずロボット支援ワインダーで、エルロンスパーを形成する4つのボックスビームをフィラメントワインディング。これらは台形で、前縁と後縁はD形状です。後縁にはより空力的な表面を作るため別ピースを追加します。」

「次にこれらすべての部品をマンデル上で結合し、縦方向リブの上にオーバーワインディングして外表面を形成します」とカーター氏続けます。全構造を真空袋詰めし、室温硬化、90℃でポストキュア。

「このプロジェクトは、プロセス技術と設計で顧客とどう協力するかの好例です。我々のアイデアはエルロンや他部品を大量生産することではありません。マシンを製造し、顧客が部品を巻き付けます。」エルロンは飛行中で、Aero VodochodyはL-39NGジェットトレーナーの4年分の受注残を抱えています。

一般に、CompoTechのウェットワインディングプロセスは精度ベースで、基本的にその場でトウプレグを作ります。「主にエポキシ樹脂と100℃硬化を使用します」とカーター氏。「より高いTgが必要な用途（石油・ガス業界用一部ダウンホールツールなど）では、140℃硬化も可能です。」

 

 

高軸方向剛性、厚肉・複雑断面部品向け3Dセルラー複合材の例。出典：CompoTech

新規プロセス

3Dセルラー複合材（3Dc）は、三次元補強を持つ複合材を生成する一連のプロセスにCompoTechが名付けた名称です。断面がセルラー構造を呈し、X方向の非常に高い0°（軸方向）繊維含有量がY・Z方向の繊維で相互接続されセル壁を形成します。「非常に高い軸方向剛性が必要な厚肉部品向けにこのプロセスを作りました」とカーター氏。その剛性は非常に高い0°繊維含有量で生み出されます。セル壁は断面全体でせん断荷重を伝達し、上記のTスロットのようなより興味深い断面形状を実現可能にします。

同社はまた、ねじれと固有振動数要件をより厚いラミネートなしで満たすため、3Dプリントマンデルとサポートも活用しています。「これはCTUとのもう一つのプロジェクトで、構造内部設計の自動化を開発しています」とカーター氏。熱可塑性複合材ワインディングが大規模に立ち上がっていると指摘。「それが次のステップで、熱可塑性ワインディングを3Dプリントと組み合わせ、折り畳みで複合材と工作機械構造用の革新的成形ツールを作ることです。」

 

 

CompoTechはハイブリッドプロセスで剛性・軽量CFRPガントリー構造を作り、工作機械精度と速度を向上。出典：CompoTech、Eagle Laser。