ファイバー強化の極み：ブレーディングの芸術と科学

複合材業界には、一見すると比較的単純で容易に思える製造プロセスがいくつかあります。ファイバー強化材のブレーディング（編組）は、おそらくその一つです。実際、ブレーディングを行うファブリケーターは少なくありません。炭素繊維やガラス繊維のプリフォーム、スリーブ、ファブリックを製造するためのブレーダーの導入と使用は、莫大な資金や時間を投じずとも可能です。

しかし、ブレーディングを「すべての」関心、専門知識、投資、戦略の中心に据えている企業は世界でもわずかです。その中でも、A&Pテクノロジー社（米国オハイオ州シンシナティ）ほど、技術的・芸術的卓越性と、今日使用されているほぼすべてのファイバー強化材に関する幅広い経験で評判を確立している企業はさらに少ないでしょう。

社名に込められた歴史

A&Pの名は、1817年に綿花加工機械の製造を目的として設立されたアトキンス＆ピアース・マニュファクチャリング社に由来します。同社はやがて、様々なエンドマーケット向けに綿花のブレーディングを始めました。これは19世紀半ばから20世紀にかけて続きました。1986年、現代の複合材業界が形を成し始めると、アトキンス＆ピアースは蓄積したブレーディングのノウハウを複合材製造に応用する機会を見出し、技術繊維のブレーディングを評価するR&D部門としてA&Pテクノロジーを設立しました。A&Pテクノロジーのビジネスはその後10年間成長し、1995年にアトキンス＆ピアースの完全子会社となりました。1997年には、A&Pテクノロジーを独立会社としてスピンオフさせる一歩を踏み出しました。現在、同社は社長のアンドリュー・ヘッド氏が100%所有しています。

A&Pテクノロジーは、シンシナティ都市圏の東側にあるキャンパス内の5棟の建物に広がっています。来訪者は、キャンパス正面入口近くにある1,255㎡のテックセンターで迎えられます。ここでCOOのパム・シュナイダー氏と、アプリケーション・エンジニアリング担当VPのマイク・ブレイリー氏が取材を受け入れてくれました。シュナイダー氏のA&Pでのルーツは、会社設立から30年以上に遡ります。ブレイリー氏は20年以上前に、A&Pの長年の顧客であるGEアビエーション（オハイオ州エヴェンデール）から入社しました。

テックセンターの最上階、A&Pのブレーディング契約から生まれた部品サンプルや、アトキンス＆ピアース初期の貴重な写真に囲まれた中で、シュナイダー氏はA&Pの成功が、多様な機械的・物理的要件を満たすための材料ソリューションをカスタム・エンジニアリングする能力に主に起因すると説明します。これが可能なのは、A&Pのブレーディング設備が社内で開発・製造されているためで、同社はコンセプトから開発、製造まで、自社技術と密接に結びついています。

ブレイリー氏は、ファイバー強化材のブレーディングが、複合材業界のどこにも見られない一連の材料能力を提供すると主張します。「基本的に、我々はファイバー構造を変更して、あらゆる特定の寸法とあらゆる特定の機械的要件を満たすことができます。」

ブレーディングの基礎知識

この発言を理解するには、ブレーディングそのものを理解する必要があります。最も基本的なレベルでは、ブレードとは、2方向または3方向の連続した、機械的にインターロックされたファイバーのシステムです。糸は円筒形のボビンに巻かれ、ボビンはキャリアに取り付けられます。複数のキャリアが、蛇行するトラックでキャリアをガイドするブレーダー・プレートに取り付けられます。各キャリアから糸が形成面（ブレーダー・トラックの上方）に引き出されます。ブレーダーは水平または垂直に配置でき、そのサイズ（キャリア数）が完成品の直径を決定します。

完成ブレードの形状は、マンドレルの形状とサイズ、ブレーダー構成に依存し、スリーブ、2Dプリフォーム、平織ファブリックの製造に用いられます。いずれの場合も、適切に行われたブレーディングは、連続的で一貫性があり、均等に分布したファイバー構造を提供し、完成複合材部品に優れた衝撃抵抗性とクラック伝播抵抗性をもたらします。

ブレイリー氏が言及したファブリック構造のカスタマイズは、ブレードで調整可能な変数によって可能になります。ファイバー種類（炭素、ガラス、アラミド、天然、熱可塑性、ハイブリッド）、構造（2軸、3軸、3軸/2軸、単方向）、キャリア数、糸角度（固定または可変）、糸テンション、ブレーディング速度、マンドレル形状などです。

シュナイダー氏によれば、A&Pテクノロジーは3〜800キャリアのブレーディングマシンを運用し、その間に40以上のサイズがあり、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを用いて多様なプリフォームと製品を生産しています。800キャリア・ブレーダーは直径13m超の巨大マシンで、世界最大です。A&Pの機械ラインナップは常に進化し、特定の顧客要件に応えるため新サイズが頻繁に追加されます。2016年には453.6トン以上のブレーディング製品を生産し、今後数年間で年率15〜20%の成長が見込まれています。最大のエンドマーケットは航空宇宙ですが、自動車、レクリエーション、インフラ用途向け製品も製造しています。

ブレイリー氏は、A&Pの成功の多くは、ブレーディングを極め、その過程で顧客の難問解決を支援してきたことに負うものが大きいと語ります。多くの場合、顧客は何らかの形で故障している金属部品を持ち込み、他のあらゆる解決策が失敗した後にA&Pを訪れます。「我々は非常に長い間、この分野に極めて集中してきました。設備、歴史、知識、専門性を備え、カスタマイズされたソリューションを開発できます。実際、一部の顧客は我々のカスタム能力の幅広さに少し圧倒されるほどです。」

プロトタイプ・ラボでの技術実証

テックセンターの展示エリアを後にし、地下のプロトタイプ・ラボへ。「テック」が実際に行われる場所です。A&Pは販売用の複合材部品を作るのではなく、顧客のプロトタイピング・プロセスを迅速化するためのスペースを設けました。ここでは顧客のためのプロトタイピングを行い、積層工具を製作し、水圧バースト試験を実施します。大型積層テーブル、小型市販ブレーダー、非破壊試験装置、プレプレグ保管用フリーザー、ウォークイン型ウィスコンシン・オーブン（ウィスコンシン州イースト・トロイ）なども備えています。

様々な製造・評価段階にある多様な部品が見られます。次世代ジェットエンジン・ファンケース、ヘリコプター・プロジェクト用複合材ギア、ナセル工具、そして不思議なことに複合材とは無関係な独自製品もいくつか。しかしブレイリー氏によれば、これらは場違いではありません。「我々はハイリスク・ハイリターン型プロジェクトを追求するよう設計されています。常に、我々の技術を活かせる機会を探しています。」

機密保持の現場：長期契約棟とコア・プロダクツ棟

ここから、アプリケーションと機械に関する具体的な観察を機密として扱うことを条件に、非公開エリアへの見学が許可されました。A&Pは通常、顧客の独自設計と最先端技術を守るため、工場見学を許可していません。実際、フル見学を許可されたのは米国宇宙飛行士ニール・アームストロング氏のみです。今回の取材は、A&Pの幅広い能力を業界に理解してもらうための稀な例外として実現しました。

最初に向かったのは、キャンパス北端にある3,250㎡の「長期契約棟」。名前通り、複数年にわたる静的な（変更のない）ブレーディング・プロジェクトがここで進行中です。最初に目に入ったのは、ボーイング社（イリノイ州シカゴ）の787-8「ドリームライナー」向け胴体フレーム用炭素繊維プリフォームを製造する、印象的で複雑なブレーダーとマンドレルのアレイです。A&Pはボイング1機あたり290フレームを製造し、うち161はユニークな形状です。1シフトで、このブレーダー/マンドレル・システムの「1台」が4プリフォーム（8フレーム分）を生産し、これを同社が開発した最も複雑で高度にエンジニアリングされたソフトウェア・プログラムの一つが制御しています。

シュナイダー氏とブレイリー氏は次に、GEアビエーションのGEnxエンジン用炭素繊維ファンケース・プリフォームを製造する大型ワークセルを指し示します。このプリフォームはシリンダー形状でブレーダーから出てきて、ブレーダー上部のメザニンに送られ、平坦化・スリットされて2層のファブリックとなり、スプールに巻き取られてGEアビエーションのミシシッピ州ベイツビルのジェットエンジン工場へ出荷されます。ブレイリー氏は、ここでの一貫性が極めて重要だと語ります。ファンケースは「ブレード・アウト」イベント（ファンブレードが運転中に脱落しケースに衝突する、稀な事象）を封じ込めるよう設計されているためです。「すべての層が、そして実際に、同一でなければなりません。衝撃の観点からは、極めて一貫しています。」GEnxのほか、A&PはGE CF6-80C2、ハネウェル・エアロスペース（アリゾナ州フェニックス）のHTF7000シリーズ、ウィリアムズ・インターナショナル（ミシガン州コマースタウンシップ）のFJ44-4エンジン向けにもブレーディング・ファンケース・プリフォームを供給しています。

次は336キャリア・ブレーダーで、LEAP 1B/2BエンジンおよびGEnx向け炭素繊維プリフォームを製造。続く複雑なシステムでは、炭素繊維とアラミド繊維をブレーディングし、ハネウェルエンジンのステータベーン用プリフォームを製造しています。このブレーダーは7つの設計バリエーションに対応し、完全無人で稼働します。

シュナイダー氏とブレイリー氏に案内され、長期契約棟を出て、2年前に完成したばかりの最新施設「コア・プロダクツ棟」へ。ここには20種類のサイズのブレーダー（最大400キャリア）があり、同サイズの複数台が設置され、大半が常時稼働しています。回転キャリアの絶え間ない「カチャカチャ」という音で、キャンパス内でも屈指の騒音環境です。ここでは、陸上トラック排気断熱材、航空機翼構造、義肢、ホッケースティック、野球バットなど、多様な用途向けスリービングの高速ブレーディングに焦点を当てた最新設備が稼働しています。

ファブリックス棟：汎用製品ラインナップ

次はファブリックス棟。ここではA&Pの4つのオフ・ザ・シェルフ・ブレーディング・ファブリック、「QISO」「Bimax」「ZERO」「TX-45」を多様な用途向けに製造しています。

• QISO：約5年前から市場投入。複合材工具、インフラ補修、自動車用途向けの準等方性ファブリック。用途に応じて航空宇宙グレードと工業グレードの炭素繊維を組み合わせ、複数の目付と幅で提供。
• Bimax：安定化した±45°素材。ホッケースティック、大型電波望遠鏡アンテナ、自動車部品に採用。繊維タイプは炭素とガラスのハイブリッドで、積層時のファブリック構造を安定化させる熱可塑性アキシアルを添加。バウアー・ホッケー（ニューハンプシャー州エクセター）は、織物炭素繊維からBimaxへ切り替え、材料使用量を7%削減しました。
• ZERO：A&P唯一の「非ブレーディング」ファブリック。元々F-22計画向けに設計。実質的にクリンプのない不織布単方向ファブリックで、様々なオンス目付で提供。
• TX-45：A&P最新ファブリック。±45°、193g/m²、2×2綾織り、キャリアペーパー上に納品され、容易な取り扱いと一貫したファイバー配向を実現。ブレイリー氏によれば、航空宇宙顧客が±45°平織プレプレグの代替を求めたことから開発されました。

同棟では、エクスプロシート（フランス・パリ）の商標「TiSeat（チタン・シート）」向けブレーディング熱可塑性プリフォームも製造されています。重量わずか4kgで、エクスプロシートは「世界最軽量の航空機シート」と謳っています。狭幅スリット熱可塑性テープをブレーディングして複合材プリフォームを作りますが、ブレイリー氏によればテープは糸より硬く、ブレーディングがより困難です。TiSeatはエアバスA320に採用され、競合材料・製品比で機体あたり約2,090kgの軽量化を実現しています。

ビジネス・デベロップメント棟と自動化への挑戦

A&Pキャンパス最大の建物は7,430㎡の「ビジネス・デベロップメント棟」で、軍事、産業、航空宇宙プロジェクト、特にエンジン関連の製造ハブとして機能しています。見学中、ブレイリー氏はGEエンジン・フローパス・スペーサー用ブレーディング・システム開発中、GE9Xエンジン・プリフォーム・システム（認定中、GE9Xは次期ボーイング777Xに搭載予定）、GEnxボディ・プライ、ウィリアムズエンジン用ファンケース・ブレーダー、ハネウェルエンジン用ファンケース・プリフォームなどを指し示しました。

ここには「自動化ルーム」もあり、ロボティクスなどの技術を評価し、ブレーディング生産速度の向上を図っています。マンドレル装填支援用多軸ロボット、より高度なオーバーブレーディング技術の開発、リアルタイム・ブレーダー・フィードバックを持つ動的スケジューリング・ソフトウェア、プロセス内検査用ビジョン・システムなどを評価中です。「我々はブレーディング能力の最前線にいると感じていますが、改善の余地は常にあり、それを推進しなければなりません」とブレイリー氏。

前進し続けるA&Pテクノロジー

テックセンターに戻り、A&Pの技術的・機械的原動力と普遍的に評されるアンディ・ヘッド氏と面会。複合材サプライチェーンにおけるA&Pの位置づけを尋ねると、同氏は4つの強みを挙げました。強力な数値制御、優れたデジタル設計、卓越した社内機械加工能力、そしてブレーディング・プロセス固有の柔軟性です。

この能力ミックスにより、A&Pは複合材業界でユニークなポジションを占めています。ブレーディングの高い参入障壁のため、他では見つけにくい高度にエンジニアリングされた先進的なブレーディング・ソリューションの供給源となっています。

「我々の組織は、顧客の成功を共に強く願う相互の利益に基づいています」とヘッド氏。「社内で機械を設計・製造できることで、短期間で顧客に最適なソリューションを提供できます。この設計の柔軟性が、A&Pをブレーディング技術の最前線に押し上げており、この地位を真剣に受け止めています。」

「認めますが、我々のソール・ソース（単独供給）ポジションはユニークです。しかし、大量生産プログラム、我々の機械でしか満たせない要件を持つプログラムを長年にわたり支援してきた実績があります。これらの要件を満たすだけでなく、品質とサービスに関する顧客の期待を超えることに誇りを持っています。」

A&Pが歩んできた道のりと、今日の複合材業界の焦点（製造速度、サイクルタイム、自動化、プロセス管理、一貫性）を振り返り、シュナイダー氏はA&Pがこれらの目標とよく整合し、航空宇宙、自動車、産業分野をはじめとするプリフォーミング・ニーズに対応できると見ています。「素晴らしい20年でしたが、まだ終わりではありません。」