コンポジット製造におけるトウ広げ技術の理解

特集記事「スプレッドトウの広がり」が印刷に回った際、このサイドストーリーは大きく異なる内容でした。トウがどのように広げられるかについて、我々が「どれだけ知らないか」について語られていたのです。そんな中、AZLニュースレターNewsLIGHT #7のITA記事「強化トウ加工のための新しい超音波広げプロセス」に出会いました。RWTHアーヘン工科大学（ドイツ・アーヘン）の繊維技術研究所（ITA）が2011年からスプレッドトウ手法を研究していることが判明しました。「トウをテープに広げるさまざまな方法をすべてテストし、それぞれの影響因子と最適化について多くの研究を行ってきました」とITAコンポジット部門テープ研究グループ責任者のWilko Happach氏は語ります。その結果、ITAは統合制御により幅のばらつきが大幅に少ないスプレッドトウテープの高速生産（最大100 m/分）を可能にする新技術を開発しました。ITAはこの技術を「AutoTow」と呼んでいます。

スプレッドトウ技術の理解

ITAはテープ製造を目指して研究を開始しました。「織物とノンクリンプファブリックは大量の切断廃棄物を生み、最適化設計も不可能であることが分かりました」とHappach氏は振り返ります。「繊維がすべて荷重方向に配向されていないため、繊維が無駄になるのです。」そこでチームは「自動テープ積層」に着目しましたが、当時はテープの供給も知識も不足していたとHappach氏は言います。「そこで自社製造を決め、まずドライファイバー・バインダー付きテープの開発を選択しました。」そのためにはまず、広げ技術を理解する必要がありました。

Happach氏は、ロービングをより幅広く薄いテープに広げる3つの基本手法を説明します：

1. 高張力でスプレッダーバーにロービングを通す
2. スリットノズルを用いたエア広げ
3. 超音波やその他の振動を繊維に与える

広げ技術とプロセスパラメータ

スプレッダーバーは最も古く基本的な技術で、炭素繊維メーカーZoltekの2001年特許で使用されています。Happach氏によると、設備サプライヤーKarl Mayerもテープおよびスプレッドトウファブリック機でスプレッダーバーを採用しています。「この手法の問題は、生産速度が25 m/分に制限されることです。これ以上速くしようとすると、摩擦が大きくなりロービングフィラメントを損傷します。バー広げは最大広げ幅も限られ、ロービングを初期幅の最大3倍までしか広げられません。」

エア広げは、より低いアレアウェイトで最大広げ幅が必要な場合に用いられます。「気流がフィラメントを分離し、摩擦が少ないためフィラメント損傷を大幅に抑えながら、初期ロービング幅の6～7倍まで広げ可能です」とHappach氏は説明します。「高張力でバーに繊維を引っ張る必要がありません。」

ただし、ガラス繊維や炭素繊維に付与されたサイズによって制約があります。「エポキシ等の熱硬化性樹脂向けにサイジングされた繊維は粘着性があり、エア広げではフィラメントを容易に分離できません」とHappach氏は説明します。「この場合、サイズを少し崩す前処理が必要になることがあります。一方、熱可塑性マトリックス樹脂と相性の良いサイズ（これも熱可塑性）は全く粘着せず、ほぼ無サイズ繊維のように振る舞います。つまりフィラメント間接着がありません。広げやすいですが、バラバラになりやすく取り扱いが難しいです。」

超音波広げは、スプレッダーバーと同じ基本原理ですが、半円筒形のソノトロードを使用します。「これらは大量のエネルギーを伝達します。ロービングがソノトロードに巻き付き、超音波を与えることでフィラメントが振動し、表面に沿って広がります」とHappach氏は述べます。この技術はより高い広げ比（より大きな繊維トウを非常に薄く広いテープに広げる）を実現できますが、ガラス繊維やピッチ系炭素繊維には使用できません。これらは脆すぎて破断するためです。

「機械的に誘導される低周波振動も使用可能です」とHappach氏。「また、熱を用いてファイバーサイズを軟化させ、フィラメントをより容易に動かせるようにすることもできます。」

AutoTow

ITAは、これら基本的広げ手法の課題を克服するためAutoTowを開発しました。Happach氏によると、テープセンターでは主に24K、50K、60Kトウ（三菱製とのこと）を扱っており、広げ効果が最も高いためです。「個々のスプレッダーバーを最大80 m/分で回転させられるため、100 m/分の高速生産に到達できます。これにより相対速度は20 m/分となり、フィラメント損傷なしに広げるのに適しています。」

Happach氏は、「入力ロービング/トウにばらつきがあるため、出力スプレッドトウの幅も変動します。プレプレグテープではサプライヤーが単にエッジをカットします。しかし、ドライバインダー付きテープから開始した当社では樹脂量がはるかに少なく、エッジカットが困難でした。」と指摘します。チームは広げ幅をより良く制御する手段が必要だと気づきました。

「カメラで広げ前後の幅を測定します」とHappach氏は説明します。「アルゴリズムがこの幅測定値、プロセス速度、各材料の既知の特定要因を用いて、5本の回転バーそれぞれの速度を計算・制御し、テープ幅を連続的に調整します。ばらつきを1ミリメートル未満に抑制できます。」

「各スプレッダーバーへのロービング巻き付け角度も調整可能です」とHappach氏は続けます。「ただしリアルタイムではありません。これは各生産ランのキャリブレーションのようなものです。それ以外はすべてインラインで行われます。25 mmから30 mmへスプレッドトウ幅を変更したい場合、その数値を入力するだけで、数秒以内に生産中に、しかも100 m/分の高速で変更されます。」

今後の開発

ITAテープセンターの目標は、業界開発を支援するため「完全なテーププロセスチェーン」を構築することです。「業界パートナーを呼び込み、新たなソリューションを共同開発することが目標です」とHappach氏は説明します。「テープ生産ラインと部品生産ラインも構築中です。サイジング、広げ、テープ製造、自動テープ積層、硬化までのすべての操作を揃えたいと考えています。」同氏は、ITAが機械サプライヤーや部品ファブリケーターになるつもりはないと強調します。「軽量薄肉部品の生産を実現したいのです。層が薄ければ薄いほど機械的特性が向上することを我々は知っています。ドライバインダー付きテープを高速・高品質で生産できるようになった今、アレアウェイトをさらに下げ、次は熱可塑性および熱硬化性プレプレグテープの生産を目指します。」

ITAテープセンターがスプレッドトウプロセスとそのパラメータの生産空間を定義したのと同様に、ファイバーサイズとテープバインダー技術の影響についても重要な知見を蓄積しています。「異なるサイズレシピをテストし、広げに最適なものを見極めたいというサプライヤーがいます」とHappach氏。

バインダー材料については、マトリックス樹脂との相性が最重要だと強調します。「熱硬化性バインダーは熱硬化性マトリックスで最高の特性を発揮します。同様に、熱可塑性マトリックスではバインダーも熱可塑性であるべきで、粉末、ベール、ホットメルトで適用可能です。後者二者は非常に迅速な適用が可能でテープに高い安定性を与えますが、ベールはわずかに高いバインダー含有量になるとHappach氏は指摘します。これは部品設計と製造プロセスの考慮により、望ましい場合も望ましくない場合もあります。バインダーパラメータと最終部品への影響に関する研究は、ITAがフルプロセスチェーンを構築するにつれて継続されます。」