適切な熱可塑性コンポジットの選択：PEEK、PEKK、PAEK、連続圧縮成形

これは、私が最近執筆した熱可塑性コンポジット（TPC）シリーズ記事（下記参照）と、Jeff Sloan氏が2月号で執筆した熱可塑性テープ特集記事へのフォローアップです。

• 熱可塑性コンポジット航空機構造のインシチュ統合、パート1
• 熱可塑性コンポジット航空機構造のインシチュ統合、パート2
• 熱可塑性コンポジットデモンストレーター──EU未来機体ロードマップ
• 未来のTPC航空機構造：PEEKかPEKKか？

TPCは1990年代から航空機に採用され、2010年から一次構造にも使用されています。GulfstreamのG650には、GKN Aerospace（英国・レディッチ）のFokker事業部がTenCateのCetexプレプレグを用いて製造した、炭素繊維/ポリフェニレンサルファイド（PPS）製ラダーとエレベーターが搭載されています。

TPC技術における我々の豊富な経験を忘れがちです。かつて「なぜもっとTPCが航空機に採用されないのか？」と問われました。しかし今、Boeingの新型中型機（NMA）準備と、Clean Sky 2などの開発プログラムを通じた欧州航空機産業の進展により、ついに新たな用途が就役するラウンドが見られるかもしれません。

その間、ベテラン企業が揃う広範なサプライチェーンがすでに確立されています。ここではTenCate（最近Torayに買収）、Teijin、Solvayに焦点を当てます。各社はどのポリマーと加工技術に潜在性を見出しているか、異なる見解を持っています。

TenCate──TPCベテランが技術をさらに前進

TenCateは熱可塑性コンポジット開発で40年以上の経験を主張します。Cetexブランドはプレプレグとプリコンソリデートラミネート（オルガノシートとも呼ばれる）でよく知られますが、バルクモールディングコンパウンド（BMC）、単方向（UD）および織物テープにも展開。完全な熱可塑性樹脂レンジでの長い実績があり（下図参照）、現在は低融点ポリアリルエーテルケトン（LM PAEK）も追加。これらの材料はTenCateの航空宇宙と産業部門でサポートされる用途に加え、コンシューマーエレクトロニクスやアスレチックシューズなど、パフォーマンスコンポジット部門を通じた大衆市場製品でも使用されています。

インシチュ統合熱可塑性樹脂に関する連載記事のインタビューで、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）とポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の代替となり得る「低融点PAEK」が、より高速な加工の探求において浮上しました。TenCateに尋ねたところ、熱可塑性コンポジット研究・製品開発ディレクターのDr. Hans Luinge氏が融点の違いを整理してくれました：

• TC1225 炭素繊維（CF）/LM PAEKテープ：305℃
• TC1320 CF/PEKKテープ：340℃
• TC1200 CF/PEEKテープ：350℃

実際の加工温度はこれより高くなる場合がありますが、TC1225 LM PAEKは依然としてはるかに低い融点で魅力的です。

「Cetex TC1225 LM PAEKはTAPAS1開発プログラムで導入され、我々は主要参加者でした」とLuinge氏は振り返ります。VictrexのPAEKポリマーを使用し、2013年までにTC1225材料がすでに「デモンストレーション航空機構造」で使用されていたと指摘。Airbus Nantesが2013年パリ航空ショーで、TenCate供給のCF/LM PAEKテープを用い、プレス成形されたオメガとバットジョイントTストリンガー要素がスキンに溶接された胴体パネルを展示。スキンは自動ファイバープレイスメント（AFP）で製造。

「低融点PAEKはAFP、スタンプ成形、溶接で良好に機能します」とTenCateグローバルCTOのScott Unger氏。「しかし低融点であるため、LM PAEKの機械的特性はPEKKとPEEKより低いのでは？」Unger氏は「いいえ、すべてほぼ同等です」と答えます。「PEEK、PEKK、LM PAEKはすべて優れた構造材料であり、コスト面からはTC1225はTC1200 CF/PEEKと競争力のある価格設定で、TC1320 PEKKより安価です。」

低融点PAEKがインシチュ統合を高速化

さらに、TC1225 LM PAEKはインシチュ統合への期待を持たせます。Unger氏は「潜在的にホーリーグレイルです。しかしこれまで見てきたのは、インシチュ統合を達成するにはAFP速度を非常に遅くしなければならないということです。」と譲歩します。説明すると、「最終ラミネートや構造で最終的に許容されるボイドレベルよりもはるかに低いボイドレベルを示すテープを使わなければ、インシチュ統合には到達できません。重要な2要因があります：テープ品質と、UDテープ内でのマトリックス樹脂と繊維の分布状態です。」Unger氏はTenCateのUDテープ製造プロセスが、極めて低いボイドレベルを生み出すよう設計されており、高速AFPに続くオートクレーブフリー/真空バッグのみ（OOA/VBO）統合や、ワンステップ・インシチュ統合AFPのようなプロセスを可能にすると主張します。

「当社テープは極めて一貫しており、最大0～0.5%ボイドです」とTenCate EUエキスパートサービスディレクターのWinand Kok氏。「テープ厚も非常に一貫しており、これが統合ラミネートでの精密なプライ厚実現を可能にします。この一貫性は熱可塑性溶接プロセスとインシチュ統合にも重要です。」Unger氏は先に示した第2要件に戻ります。「LM PAEKはPEKKとPEEKに比べてはるかに優れた流動性を持ち、より高速で加工可能です。」

この最後の点は「ラミネート対ラミネート比較」で実証されました。「オランダ・トウェンテの熱可塑性コンポジット研究センター（TPRC）のCoriolisレーザーAFPマシンで、TC1320 CF/PEKKラミネートを600 mm/秒の高速で製造。その後、このラミネートをオーブンで真空バッグのみで統合しました。」とUnger氏。高速AFP積層によるプライ間気孔は認めましたが、これらのボイドは第2統合ステップで改善され、ラミネートの写真顕微鏡写真に示されています。「同じAFPマシンでTC1320材料を200 mm/秒でファイバープレイスメントし、低速でもプライ間ボイドが除去されないことを確認。次に同等のラミネートを同じAFPマシンで作製しましたが、今度はTC1225 CF/LM PAEKテープを使用し、二次OOA/VBO統合ステップなし──つまりAFPによる完全なインシチュ統合です。PEKK 2ステップパネルと同等の統合特性を達成しました。」

Unger氏は、インシチュ統合CF/PAEKラミネートのAFP速度200 mm/秒が、私の記事「熱可塑性コンポジット航空機構造のインシチュ統合、パート2」でオランダ航空宇宙センター（NLR、アムステルダム）構造技術部門上級科学者Henri de Vries氏が主張していた速度の2倍以上であると指摘。

「今、インシチュ統合AFP速度をどこまで押し上げられるか、許容ボイドレベルとラミネート内機械的特性を維持しながら検討しています」とUnger氏。「硬化剛性TPCパネルの自動プロセスによる製造に多くの作業を行ってきました。今の目標は技術成熟度レベルを構築することです。」Kok氏によると、TenCateは顧客やR&D機関を含む業界パートナーと協業しながらこの取り組みを継続。一例はJEC 2018のTenCateブースで展示されていたエンジンパイロンで、TC1320 CF/PEKKテープを使用。パイロンシェルファブリケーターのNLRと、プレス成形でリブを製造しシェルに溶接して補強要素とするDutch Thermoplastic Components（DTC）が協力。この部品はAFP後オートクレーブで統合されましたが、Kok氏は「真空バッグのみのオーブン統合による2ステップ統合向けにテープをさらに最適化する方法も探っています」と述べています。

Unger氏は、TenCateのCF/LM PAEK製品が、一次航空機構造の開発と実証に使用されているものについて、無サイズ炭素繊維とサイジング付き炭素繊維の両方を使用していると指摘。5年前であれば、サイジングによる機械的特性への悪影響の観点から、LM PAEK、PEKK、PEEKプレプレグテープでサイジング付き炭素繊維を使用することは珍しかったかもしれませんが、今日では「もはや当てはまりません」。

LM PAEKの可能性を強調する最後のポイントとして、NIARとFAAが、TenCateのTC1225 CF/LM PAEKを用いて「熱可塑性コンポジット材料の最初の公開データベース」を完成させつつあることが挙げられます。データベースは来年初頭に公開予定で、この材料が機械的特性と加工容易性で選ばれました。

Teijin──長年のCFメーカーがTPCへ参入

炭素繊維（CF）メーカーの東レ・テナックス株式会社（日本・東京）は、グローバルでTeijin Carbonとしてリブランドされ、3つの主要子会社を持ちます：

• Teijin Carbon Europe
• Teijin Carbon America
• Teijin Carbon Singapore

製品名はTenaxのままです。

「15～20年前に熱可塑性樹脂開発に多くの時間を費やしました」と、以前は東レ・テナックスヨーロッパで熱可塑性半製品プロダクトマネージャー、現在はTeijin Carbon Americaで航空宇宙マーケットエンジニアを務めるJean-Philippe Canart氏。「我々の戦略の一つは単方向（UD）熱可塑性テープの開発で、2013年に導入しました。」

Canart氏はこの開発の構成要素を説明します。「我々のコア技術の一つはCF向け熱可塑性サイジングで、テープ加工を助けます。標準CFサイジングは、熱可塑性樹脂に必要な高加工温度で除去しなければなりません。耐温性に加え、熱可塑性サイジングは完成コンポジットでの繊維-マトリックス接着に追加性能を与えます。ヨーロッパの最大ラインの一つで、TPサイジング付きCFを年間1,700トン生産。ここからPEEK、PEKK、PPS熱可塑性マトリックスを持つUDテープを開発し、主に航空宇宙用途で使用していますが、石油・ガスと産業用途にも取り組んでいます。」

Canart氏によると、TeijinのTPCでの最初の焦点は、Airbus A350向けクリップとブラケットのプレス成形（スタンピング）で、CFファブリックにPEEKコーティングを使用。「これが航空宇宙用途の第一波でした。これが今、AFPラミネートとスタンピングによる統合のミックスで、より大型・構造的な部品へと移行しています。」Canart氏はインシチュ統合（ISC）が数十年間開発されてきたことを認めつつ、「まだ成熟していないと見ています。R&Dプロジェクトと機関のさらなる開発を支援しています。」ISCは可能だが、「どれだけ速く部品を作れるか？ プロセスはどれだけ堅牢か？」が問題だと考え、商用機体向けISC部品の量産は2025～2030年になると予測。その間、TeijinはTPCテープの2ステップ・AFP+スタンピング生産ラインでの拡大を見込みます。「欧州テープラインへの投資をすでに行い、連続圧縮成形（CCM）のような新しいプロセスキャパシティも支援しています。サプライチェーンは成長しています。」

TPC大量生産を支える──CCM

連続圧縮成形（CCM）は、2010年に「航空宇宙グレード圧縮成形」として取り上げたプロセスです。Performance Polymer Composites xperion（ドイツ・マルクドルフ）が20年以上前に開発・商業化したプロセスで、X-CCMとして商標登録されています。X-CCMは高速・準連続プロセスで高品質熱可塑性コンポジットラミネートを提供。「xperionと材料サプライヤーとして協業しています」とCanart氏。「これは成熟技術で、AirbusとBoeingの両方が長年使用。今まさに成長しており、成形済み統合TPCラミネートを生産しています。CCMはコストに優れますが、断面形状が一定である必要があります。」

xperion PPCのシニアセールスマネージャーLaurens de la Ossa氏によると、「X-CCMプロセスはさらに進化し、T字やJ字のような非対称プロファイルを含むより複雑な形状も生産可能になりました。」幅24インチまでの統合TPCラミネートを生産可能。「大量生産に向けた技術インフラの一部となっています。真空バッグ不要で非常にスリムなプロセスで、60プライ以上、8～10 mm厚の厚肉ラミネートも扱えます。」

X-CCMがターゲットとする部品は？「機内胴体ストリンガー、フロアビーム、床や天井周りのフレームワーク、最高材料性能を要求される構造コンポーネントと準構造用途」とde la Ossa氏。「2025年までに、新型機プラットフォームが量産に入ると、これまで見積もり対応してきた分だけで、年間6～10倍の材料量が必要になります。」

この更なる大量生産への推進の一環として、Teijinはテープ材料コスト削減とキャパシティ増強に注力しているとCanart氏。業界からの「より厚いテープ」要望については？ 具体的にはNLRのde Vries氏が言及していました。Canart氏は「繊維アレアウェイト145～200 g/m²のテープを開発済みで、0.18 mm厚はすでにかなり標準的です。この厚さ向けにラインを改造済みで、0.20 mmまで対応。0.25 mmでも大きな飛躍ではないでしょう。」

「テープ品質については？」「すべてのテープはより高速で高品質な部品のために改良が必要と考えています」とCanart氏。「樹脂含有量がインシチュ統合の要件と合致しない可能性があり、テープ内の樹脂分布も最適化が必要かもしれません。溶融の時間と速度は樹脂とプロセスによって大きく異なります。ポリマーシステムとテープアーキテクチャ（表面を含む）の多様な分野での更なる開発を支援しています。」

Solvay──PEEKとPEKKの両方で市場対応

Solvayのコンポジット向け高性能熱可塑性製品には、Ketaspire PEEK、Novaspire PEKK、Radel ポリフェニルスルホン（PPSU）、Ryton ポリフェニレンサルファイド（PPS）があります。Solvayの声明によると、これらのポリマーは大規模航空宇宙コンポジット用途への検討を可能にする産業スケールで生産され、高品質プレプレグの製造に使用可能です。

Solvayは現在、PEEKとPEKK両ポリマーでAPCユニテーププレプレグを提供。大量生産・使用時には、選択された「繊維」のコストによって価格が主に差別化され、「ポリマー」ではなくなるとのこと。したがって、特定用途でどの熱可塑性マトリックスを使用するかの選択は、「顧客の嗜好」によって駆動されると考えています。その選択に影響する要因には、耐温性能、機械的性能、部品製造加工、材料データベースの可用性、作業員経験などがあります。Solvayの見解は、「PEKKとPEEKの両方が市場でニーズを満たしており、選択されるポリマーに関わらず高品質で比較可能な価格の繊維強化プレプレグを提供できる」というものです。

熱可塑性樹脂においても、他のすべてのコンポジットと同様に、材料とプロセスの選択肢は限定されていません。実際、拡大しつつあります。将来の航空機生産でどれが優位になるか？ それはまだわかりません。CWは注視し、見えてきたことを報告し続けます。