リサイクル熱可塑性複合材の大規模生産、閉ループ製造への道

リサイクル性は熱可塑性複合材（TPC）の長年約束された利点ですが、商業的な大規模利用には至っていません。材料サプライヤーのTenCate Advanced Compositesと熱可塑性複合材研究センター（TPRC）が、Tier 1メーカーのGKN Fokkerと提携し、2016年にそのようなプロセスを実証しました。チームは、GKN FokkerのガルフストリームG650エレベーターとラダー製造から出るスクラップ、TenCate Cetex TC1100織布炭素繊維/ポリフェニレンサルファイド（CF/PPS）材料を使用してアクセスドアパネルを開発。生産廃材をチョップし、TPRCが設計したプロセスと金型で圧縮成形しました。アクセスドアパネルには成形スタッフニングリブ、厚み変化、ボス付き成形穴が備わっていました（ボスはファスナーを穴に導く突起機能）。再生材料の使用により、成形機能性を高めた軽量部品が実現し、アクセスドアパネルがガルフストリームG650ラダー前縁に使用されることでクローズドループ製造プロセスが形成されました。このプロジェクトは2016年JECイノベーション賞を受賞しました。

2016年実証のアクセスドアパネルはスクラップCetex CF/PPS材料から作られ、スタッフニングリブとボス付き成形穴を備える。SOURCE | TPRC.

以来、新組織「熱可塑性複合材アプリケーションセンター（TPAC）」が設立されました。「TPRCは10年前に設立され、主に航空宇宙産業向け基礎的TPC研究を行ってきた」と、TPAC軽量構造研究者のトーマス・デ・ブライン氏は説明します。「TPACは約2年前に設立され、より応用志向の働き方をします。Saxion大学と連携し、中小企業とも連携。コスト削減によりコスト効率の良いプロセス開発に焦点を当てています。この2グループでTPC NLを形成し、TPC技術のスマートインダストリー・デジタルイノベーションハブとなっています。」

TPACの関与とTenCateの継続的R&Dにより、このタイプのクローズドループ製造が可能であるだけでなく、経済的にも有益であることが実証されました。焦点は当初CF/PPS材料に置かれ、業界パートナーと協力してこのTPCリサイクル強化部品生産の実装を支援しています。

ただし、実際に開発されたプロセスは異なります。TenCateは、連続繊維部品に成形幾何学的特徴と機能性を追加するフローレイヤーとして短繊維材料を使用することに焦点を当てています。一方、TPRCとTPACは、より長い繊維長を維持し、従来の短繊維コンパウンドより高い機械的特性を持つ部品に圧縮成形可能なドウ状材料を作ることを目指しています。

TenCate — フローレイヤー強化オルガノシート部品

「3年前、リサイクルにより多くのR&D予算を投入し始めた」と、TenCate熱可塑性製品マネージャーのフランク・テン・ナペル氏。「これは単なる『グリーンラベル』獲得のためではない。リサイクル材料を部品に組み込むことは、非常に現実的な経済的・構造的メリットをもたらすと確信している。フローレイヤーとしてリサイクル材料を適用することで、そうでなければ達成できないレベルの幾何学を部品に付与できる。スタッフニングリブと部品全体の可変厚、穴周りのボスを成形でき、ファスナーによる誘導荷重を分散させる。これらすべてが、バージン材料のみを使用する場合と比較して、より薄く、軽量で、コスト効率の良い部品を可能にする。連続繊維材料ではこれらの成形機能は難しいが、連続繊維と局所オーバーモールディングを組み合わせることで、より多くの設計自由度が得られる。」

このブラケット型デモンストレーターは同一パーツの両面を示し、従来の織布オルガノシート層とリサイクルTPCフローレイヤーの両方をハイライト。後者はスタッフニングリブとインサート用ボスを備える。SOURCE | TenCate

 

TPC-Cycleプロジェクト

この4年間プロジェクトは2015年9月に開始し、熱可塑性複合材（TPC）サプライチェーン全体からパートナーが参加しています：

• TenCate Advanced Composites（Torayグループ）— 材料
• GKN Fokker Aerostructures — Tier 1航空宇宙構造物・アセンブリの設計・製造
• Dutch Thermoplastic Components（DTC）— 航空宇宙リブ、ストリンガー、ブラケット、クリップ、ボックスのSME設計・製造
• Cato Composites — 航空宇宙、自動車、防衛、スポーツ、消費者市場向け部品のSME製造・設計
• Nido RecyclingTechniek（NRT）— リサイクル対象材料/部品のシュレッディングとサイズ縮小技術

TPC-Cycleは、TPACとSaxion応用科学大学、特にその軽量構造研究グループによってファシリテートされ、The Netherlands Organization for Scientific Research（NWO）の一部であるRegieorgaan SIAによって資金提供されています。

トーマス・デ・ブライン氏はTPC-Cycleプロジェクトマネージャー兼Saxion/TPAC軽量構造研究者です。プロジェクト開始の多くのドライバーがあったと説明します。「連続繊維TPC、特にスタンプ成形（クリップ、ブラケット等）での使用増加が見られた。この増加に伴い、ポストインダストリアル廃棄物量が相当量になる。そのためリサイクルは環境的にも経済的にも必要であり、規制対応のためにも必要だった。例えば欧州ELV指令は自動車使用材料の95%リサイクルを要求している。」エアバスもリサイクルとエンドオブライフ目標を設定し、サプライヤーに伝達している。「サプライチェーンはこれらの目標達成可能と言うだけでなく、デモンストレーターでその能力を証明すべきだ」とデ・ブライン氏は付け加えます。

「TPCが航空宇宙外でも、食品ケース、家具、産業部品などで成長しているのも見ている。これらは短サイクルタイム、軽量、スマートな構造を提供するからだ」とデ・ブライン氏。

「商業的に実行可能なリサイクルプロセスチェーンを証明したかったが、単なる粉砕（ダウンサイクリング）ではない。高性能を目指した。だから低せん断ミキシングアプローチを選び、0.5〜1.0インチの繊維長を維持した。剛性には数mm長さで十分だが、強度と衝撃耐性には0.5インチ以上必要だ。」材料混合と最終リサイクル製品の良好な均質性確保も重要な課題でした。

「廃棄物を回収し、0.5〜1.0インチフレークにシュレッディングし、均質なドウに変換し、押出し直接圧縮成形プレスへ移送するのが目標だ」と、TPRC研究者兼博士課程学生のギヨーム・ヴァンサン氏。「ドウの処理は、フレークとバージンポリマー顆粒を低せん断ミキサーに供給し、繊維重量分率を25〜40%に減らすことで行う。」このプロセスは、自動車で一般的な長繊維熱可塑性直接コンパウディング（D-LFT）プロセスと非常に似ていると指摘します。「しかしD-LFTプロセスには数百万ドルの投資が必要で、高シリーズ生産でのみ使用される。我々はより小さな機械でアプローチを修正したが、同様の結果を得られる。我々のボリュームはD-LFTプロセス比で低い。」

ヴァンサン氏は、完全なリサイクルバリューチェーンを含めることで利益が出る例を説明します。「NRTが、Unthaのような大型シュレッダーメーカーと我々をつないでくれた。」これはシリアル部品生産へのプロセススケーリングの鍵となります。

最初に開発されているプロセスチェーンはCF/PPS向けです。ヴァンサン氏によれば、TPC-Cycleはリサイクル材料の繊維長と繊維分布を特性評価するシミュレーションモデルと解析手法を構築しました。「これらの材料特性が成形部品特性にどう移行するかも理解しつつある」と観察します。これは実際、彼の博士論文の焦点であり、2019年末までに出版予定です。

TPC-Cycledプロジェクトは、熱可塑性複合材リサイクルの完全プロセスチェーンを開発、コスト効率の良いシュレッディングと繊維長・分布特性評価を含む。SOURCE | TPRC/TPAC.

このリサイクルドウはバルクモールディングコンパウンド（BMC）と呼ばれることもあります。歴史的にBMCは、短ガラス繊維（<25mm）、熱硬化性樹脂ペースト、フィラーのドウ状混合物で、圧縮成形で複合部品に成形されていました。繊維含有量が少なくSMCより流動性が高い反面、機械的特性はやや劣ります。TenCateは長年熱硬化性「および熱可塑性」BMCを販売していますが、後者はチョップドUDプリプレグテープを金型に広げてプレスするプロセスです。「我々の製品は実際にかなり異なる」とヴァンサン氏は主張します。「従来の熱可塑性BMCでは一般的に混合がなく、長時間の加熱と統合サイクルが必要。混合することでより均質な製品が得られ、部品内の応力集中が減り、より高い特性が出る。従来熱可塑性BMCでは、端部にマトリックスリッチ領域を持つ厚いフレークが得られ、複合ラミネート内で応力集中を生む。」

低せん断ミキシングプロセスは、フレークを層にほぐし、さらに層を束に、束を遊離繊維に分離します。ポリマーも混合して繊維含有量を下げ、より良い流動特性を得て、材料を形状加工しやすくします。

 

「ドウは押出され、ロボットで開いた等温（加熱）圧縮金型に配置される」とデ・ブライン氏。「混合後、ドウ内の繊維はランダム配向だが、プレス中の材料流動で繊維が再配向される。この配向は、短繊維を射出成形する混合物よりは低いが、部品間で類似している。これは継続研究課題の一つだ。」

コスト

これまで開発されたTPC-Cycleプロセスチェーンは経済的に有益に見えます。「2019年後半までにどれだけ部品コストを下げられるか回答したい」とデ・ブライン氏。「しかし複雑だ。市場が必要で、リサイクル材料を販売しなければならないから。」多くの経済的要因があると指摘します。例えば、多くのメーカーは今日単純に生産廃棄物を捨てています。埋立処分コストはトン当たり80ユーロ（約90ドル）。「だが、捨てられているこの材料には価値がある」とデ・ブライン氏。「また、廃棄物回収、シュレッディング、混合、新部品への圧縮成形コストも勘案しなければならない。しかし、これは等温金型によるニアネットシェイププロセスで短サイクルタイムだ。」つまり、二次仕上げと機械加工が大幅に削減または排除されるはずです。デ・ブライン氏は、TPC-Cycleが現在コスト分析とライフサイクル分析の完了を目指していると述べています。

SOURCE | TPRC/TPAC

Clean Sky RESET

TenCateによる成果とTPC-Cycleプロジェクトの成果の重要性を再確認する第三のプロジェクトがRESETプロジェクトです。2016年1月から2017年12月まで実施され、スペイン・バルセロナのLeitat技術研究所が調整しました。RESETはClean Sky（2008-2016）下で開始され、Clean Sky 2（2017-2021）で完了したようです。

Clean SkyとClean Sky 2プログラムは、トップティアの革新的航空機実証プログラム（画像のVehicle IADPs参照）と、ロワーティアの革新的技術実証機（画像のLarge System ITDs参照）に編成されています。RESETは機体ITD、特にワークパッケージ（WP）A-3.4機体エコデザインの一環として完了しました。

SOURCE: Clean Sky 2 Joint Technical Proposal
詳細については「熱可塑性複合材デモンストレーター — 将来機体へのEUロードマップ」参照

Clean Skyプロジェクトオフィサーのエレナ・ペドーネ氏によれば、LeitatのRESETチームは、以前使用された航空機複合材をリサイクルし、新部品製造に使用するプロセスを開発しました。これらリサイクル部品を市販品と比較し、同様の機械的特性を持つことを確認しました。「このプロジェクトで開発された技術は、今後数年で航空セクターで現実的に商業化可能であり、他の経済セクターへ波及する可能性もある」とペドーネ氏。

RESETプロジェクト期間中、PEEKとPPS熱可塑性マトリックス材料、炭素繊維強化の化学的性質からの影響を調査。強化形状（繊維長、織布/不織布）、繊維含有量（ポリマー/繊維比）の影響も研究されました。

第2ワークパッケージでは、押出ベースのリサイクルCF/PPSの調整と特性評価、結果として得られる成形複合材が主目的でした。熱可塑性ブラケットと熱可塑性クリートの2部品が射出成形で、さらに2部品が熱成形で作られたと、Leitatプロジェクト科学コーディネーターのクラウディア・アギラール氏は説明します。これら部品を試験。「材料の機械的特性は市販品と比較可能だった」とアギラール氏。

RESETプロジェクトは、航空機製造からのTPC廃棄物を原料として新しい航空機部品を製造するリサイクルプロセスを実証したと主張します。「新しい複合材ファミリーの製造に最大70%のリサイクル材料を使用した」とアギラール氏。「RESETのリサイクルプロセスにより、欧州航空は環境フットプリントを制限し、新航空機部品の製造コストを削減できる。したがって、プロジェクトは航空産業をより競争力があり、よりグリーンにする。」

ブラケット（左）とクリート（右）はClean Sky RESETプロジェクトで実証されたリサイクルCF/PPS材料製。SOURCE | Leitat Technological Institute

TPCの未来は設計から始まる

TenCateとTPRC/TPACの主張は、実証されたこれらリサイクルプロセスが単にグリーンであるだけでなく、経済的に魅力的だということです。では、どの程度の投資が必要か？「生産量による」とTenCateのテン・ナペル氏。「必要なシュレッダーマシンは大型でも高価でもなく、プロセスはかなりシンプルな段階まで開発されている。」マトリックスタイプはリサイクル性に影響するか？「影響しない」とテン・ナペル氏。「だが経済的実行性の観点では、炭素繊維とPPS、PEEK、PEKKの方が、ガラス繊維とポリプロピレンより価値が高いため実行性が高い。」

「業界がこれを取り入れるなら、設計から始めるべきだと思う」と続けます。「現在最大のハードルはエンジニアのマインドセットだ。リサイクル材料で設計する（または新製品に部分的に設計する）ことは、彼らにとってかなり新しいことだ。」

テン・ナペル氏は、TenCateが商業的に部品設計・製造を行わないことは認めつつ、「しかし、デザイナーが新しい部品・構造物を開発する際にこの考え方で考えるよう啓発しようとしている。」航空機インテリア、アクセスパネル、アクセスドアをリサイクル材料再利用の「手の届きやすい果実」として挙げます。「業界として自社スクラップと廃棄物の再利用に慣れれば、次のステップとしてエンドオブライフ部品への対応を検討できる。」

熱可塑性複合材リサイクルのマントラ—単純に粉砕して再成形—は確かに採用可能だが、多くの場合経済的合理性に欠ける、とテン・ナペル氏。「我々はより良いプロセス、実際によりコスト効率の良い部品と全体プログラムを創出できるプロセスを実証した。この知識をTPRCとTPACと共に普及させ、熱可塑性複合材で完全に可能なことが何であるか、業界に啓発しようとしている。」熱可塑性複合材が大規模に採用されるなら、リサイクルを生産の固有部分とすることはもはや選択肢ではなく、必要不可欠だ。