熱可塑性テープ巻き：市場投入までの時間を短縮
01. February 2022 | ブログ
イノメタと帝人は、レーザーアシスト巻線プロセスにおける高性能熱可塑性樹脂テープの基本的な製造パラメータを分析し、今後の市場要件に対応した迅速で透明性の高い部品開発を可能にした。テープワインディングは、生産性の向上、コスト削減、自動化された生産方式を目指す上で有効な手段である。
炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）は、耐薬品性、強度対重量比、耐久性、衝撃挙動、直列能力、持続可能性などの利点で、しばしば一息に名前が挙げられます。航空宇宙分野では、軽量性、性能、加工性のすべてが重要な要素であり、熱可塑性プラスチック材料に対する世界的な需要が高まっている。これらの材料は、航空機製造のコスト効率を高めるだけでなく、航空機の生涯燃料消費量を大幅に削減し、飛行距離を延ばし、排出ガスを大幅に削減し、将来のリサイクルサイクルに備える上で、主導的な役割を果たす可能性がある。テイジンは、高性能プリプレグ製品群の一環として、幅広いTenax™熱可塑性一方向性（TPUD）プリプレグ材料を開発しました。これらのテープは通常、特別に開発された炭素繊維をベースに、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、低融点ポリアリールエーテルケトン（LM-PAEK）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）などを組み合わせたもので、最終部品やアプリケーションの高い機械的性能と短時間での加工を可能にしています。
アルミニウムと複合材を使用した軽量構造の専門知識を持つ大手受託製造メーカーであるイノメタ社は、上記の高性能テープを加工するために最適化された、新しいレーザーアシスト・テープ巻き製造技術を開発した。テープ巻きは、テープのその場での圧密化を可能にし、その後の工程を不要にする。したがって、高性能テープとテープ巻取りの組み合わせは、より高い生産性、コスト削減、自動化された生産アプローチに取り組むためのイネーブラーである。
イノメタと帝人は、巻線工程に基づく熱可塑性プラスチック複合材料が、工業用途としては比較的新しい分野であることに着目した。一方では、市場は高い新規性（プロセスや材料）に直面しており、その結果、これらの新しい機会に関する顧客の知識や経験が不足している。一方、産業用市場では、熱硬化性材料や金属材料をベースとした確立されたコンポーネント・ソリューションが使用されているため、コンポーネントメーカーや原材料メーカーは、顧客の意思決定をサポートするために、信頼性の高いCFRTPソリューションを短期間で提供する必要があります。このような顧客にとって、開発期間は非常に短い。INOMETAと帝人は、このような状況を解決するために技術提携に合意し、市場投入までの時間を大幅に短縮するために、特定のユースケースを念頭に置いて、主要な材料とプロセスのパラメータを詳細に分析しました。
市場投入までの時間
市場投入までの時間（TTM）とは、製品アイデアが市場に投入されるまでにかかる時間のことで、新製品を市場に投入するか、あるいは既存の製品をより優れた代替熱可塑性プラスチックで置き換えることができるようになる。製品開発における主な影響要因は、基本的なプロセスと材料の適合性を証明することと、部品点数の削減や部品性能の向上を通じて興味深いビジネスケースを提示することである。帝人とイノメタ社は、これらの開発課題に取り組み、許容可能な基本パラメータを特定するための反復プロセスを実施しました。帝人とイノメタ社は、これらの開発課題に取り組み、許容可能な基本パラメータを特定するための反復プロセスを経て、顧客との共同プロジェクトに使用することで、顧客固有の開発期間とコストを大幅に削減しました。
多くの顧客にとって、熱可塑性UDテープやレーザーアシストによるテープ巻きは未知の領域である。そのため、信頼関係の構築も顧客にとって重要な要素であり、協力の目標の一つとなっている。全体として、イノメタと帝人による初期評価作業は、ゼロから始める長い開発期間を抑制することなく、加工速度、材料特性、部品価格に関する必要な情報を顧客に提供した。プロジェクトの可能な限り早い段階で、材料とプロセスに関する貴重な洞察を顧客に提供することは、迅速な進展と短いTTMのための基本要件である。多くの場合、顧客は自分のアプリケーションの未知の領域を探求することに好奇心を抱いている。そのため、熱可塑性プラスチックは既存の材料、プロセス、供給コンセプトと競合することになる。顧客は、熱可塑性プラスチックの類似した既存の使用例を見て、プロセスの堅牢性、部品の品質、材料の成熟度が一連の用途に適していることを確認したいと考えています。これらの懸念に対応する弾力性のあるデータを提供することは、INOMETAと帝人の重要な目標である。
第二のステップは、現実的な経済データを提供することである。保守的すぎると、たとえ価格・性能面でメリットがあったとしても、顧客にとって魅力のないビジネスケースになりかねない。経済的な仮定が野心的すぎると、事前に予測された配置速度や部品品質が達成できないと発表されたときに、最初のステップで築かれた信頼を打ち消すことになる。このような予備的な作業にもかかわらず、TTMの間には常に顧客固有の側面が存在する。これには、最終的な顧客の形状やそのラミネートレイアップに合わせた確認事項の調整、材料選択（テープ幅など）の最適化、熱可塑性複合材を使用する動機は業界によって異なるため、試験片や部品の用途に合わせた試験などが含まれます。議論した情報を提供するために不可欠な初期作業は、2つの作業パッケージに分かれている。第1は、製造試験そのものを対象とするものである。その目的は、異なるマンドレル径とテープレイアップの許容可能な加工ウィンドウを特定することと、巻取り速度などの経済的パラメーターを最適化することである。第2の作業パッケージは、巻線プロセス（加工温度と巻線速度）と品質パラメーター（結晶化度と圧密品質）の相互作用を定量化することを目的としている。このようにして、優れた部品品質を維持しながら、経済的な加工ウィンドウを特定する。
材料とプロセスの深い理解
産業用途では開発サイクルが加速しているため、新しい材料やコンポーネントのコンセプトをすでに確立された用途に統合することができません。理想的なプロセスと材料のセットアップを見つけるための時間がないため、新しいコンセプトが十分に魅力的でない、不十分なソリューションになる可能性があります。このような不十分なソリューションに共通する点は、材料面でもプロセス面でもある：
- 材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：材料：非常に短い開発期間は、材料選択プロセスの短縮と相まってもたらされる。保守的になりすぎるあまり、経済的な材料（例えばPPS）を選択した方が良いのに、PEEK材料を選択して過剰なエンジニアリングにつながることがある。また、適切な繊維（HTやIMなど）や理想的なテープ幅を正しく選択できないことも、よくある失敗です。
- プロセス可能な限り最高のプロトタイプを作ろうとすると、配置速度を保守的に選んでしまうことがある。部品品質とプロセス・パラメーター（配置速度、テープ幅、テープ厚み）の良好なバランスを見つける時間がないため、経済的な可能性が道半ばになってしまう。
これらの欠点を克服することが、このパートナーシップの主な目的である。ロボットベースの巻線工程は、理想的な基礎となる。部品品質に影響する重要な機械パラメーターが常に測定されているからだ。これにより、どのテープバッチがどの部品用かを追跡できるだけでなく、巻取り速度、ニップ点温度、圧密圧力などのパラメーターが、テープの各層で許容閾値内にあるかどうかも追跡できる。これらのパラメーターの追跡と、巻かれた部品の目視検査による表面品質の評価、および選択されたギャップ／オーバーラップ設定を組み合わせることで、テイジンのハイエンド素材を使用した将来のプロジェクトにおいて、素材固有の優れたベースライン設定を特定することができます。この優れたベースライン・シナリオを使用することで、顧客のラミネート・レイアップ／ジオメトリーに、許容可能な範囲で大幅に短時間で適合させることが可能になる。
INOMETAとテイジンによる初期作業の一部は、さまざまな配置速度でさまざまな巻き角度を分析することでした。これまで、分析検査は顕微鏡による断面、熱分析（DSC）、繊維体積測定に基づいていた。顕微鏡による断面は、圧密品質を評価するために使用され、ポロシティ（プライ間）、テープ内のボイド、オーバーラップやギャップなどの系統的な加工欠陥などの目に見える欠陥がないかラミネートをチェックするために使用される。この種の欠陥は、機械的特性に悪影響を及ぼす。
次のステップ
サンプリングと分析作業は、テイジンのCF/PEEK素材だけでなく、CF/PPSとCF/LM-PAEKについても実施された。これまでのパートナーシップの重要な成果の1つは、前述のベースラインシナリオを捉えたテイジンの材料ポートフォリオの事前評価シートを作成したことです。材料とプロセスの相互作用、ひいては選択されたユースケースにおける経済性の基本的な理解は、性能と価格のメリットを提供する熱可塑性樹脂巻線複合材ソリューションを、より多くの市場で確立するために役立つ。このパートナーシップの最初の成果は、テイジンのテープ素材を使用した共同顧客プロジェクトですでに使用されています。