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航空機用の非常に強力な複合構造部品の製造には熱硬化性炭素繊維材料に長年依存してきましたが、技術の進歩により新しい非熱硬化性部品を大量かつ低コストで自動製造できることが期待されるため、航空宇宙 OEM は現在、別のクラスの炭素繊維材料を採用しています。軽量化。

熱可塑性炭素繊維複合材料は「古くから存在していた」が、航空宇宙メーカーが主要構造部品を含む航空機部品の製造にこの材料を広く使用することを検討できるようになったのは最近のことだと、コリンズ・エアロスペース社アドバンスト・ストラクチャ部門エンジニアリング担当副社長のステファン・ディオン氏は語る。

熱可塑性炭素繊維複合材は航空宇宙メーカーに熱硬化性複合材に比べていくつかの利点を提供する可能性があるが、最近までメーカーは熱可塑性複合材から部品を高速かつ低コストで製造できなかったと同氏は述べた。

過去 5 年間、炭素繊維複合部品製造科学の発展に伴い、OEM 企業は熱硬化性材料から部品を製造することを超えて目を向け始めました。まず、樹脂注入および樹脂トランスファー成形 (RTM) 技術を使用して航空機部品を製造し、次に熱可塑性複合材料を採用する。

GKN エアロスペースは、大型航空機構造部品を手頃な価格で高レートで製造するための樹脂注入および RTM 技術の開発に多額の投資を行ってきました。 GKNエアロスペースのホライズン3先進技術イニシアチブの技術担当副社長マックス・ブラウン氏によると、GKNは現在、樹脂注入製造を使用して長さ17メートルの一体型複合材翼桁を製造しているという。

ディオン氏によると、過去数年間のOEM各社による複合材製造への多額の投資には、熱可塑性プラスチック部品の大量生産を可能にする能力の開発への戦略的な支出も含まれているという。

熱硬化性材料と熱可塑性材料の最も顕著な違いは、熱硬化性材料は部品に成形する前に冷蔵保管する必要があり、成形後に熱硬化性部品はオートクレーブで長時間硬化する必要があるという事実にあります。このプロセスには多大なエネルギーと時間を必要とするため、熱硬化性部品の製造コストは高止まりする傾向があります。

硬化により熱硬化性複合材料の分子構造が不可逆的に変化し、部品に強度が与えられます。しかし、技術開発の現段階では、硬化により部品の材料が主要な構造コンポーネントでの再利用に適さなくなります。

しかし、ディオン氏によると、熱可塑性材料は部品を作るときに冷蔵保存やベーキングを必要としません。これらは、単純な部品の最終形状 (エアバス A350 の胴体フレームのすべてのブラケットは熱可塑性複合部品です) にプレス加工することも、より複雑なコンポーネントの中間段階にプレス加工することもできます。

熱可塑性プラスチック材料はさまざまな方法で溶接できるため、単純な部分構造から複雑で高度な形状の部品を作成できます。ディオン氏によると、今日では誘導溶接が主に使用されており、サブパーツからは平らで一定の厚さのパーツしか作成できません。しかし、コリンズ社は熱可塑性プラスチック部品を接合するための振動および摩擦溶接技術を開発中であり、一度認証されれば、最終的には「真に高度な複雑な構造」を製造できるようになるだろうと同氏は述べた。

熱可塑性材料を溶接して複雑な構造を作成できるため、製造業者は熱硬化性部品の結合や折り畳みに必要な金属製のネジ、留め具、ヒンジを廃止できるため、約 10% の重量削減効果が得られるとブラウン氏は推定しています。

それでも、ブラウン氏によると、熱可塑性複合材は熱硬化性複合材よりも金属によく接着します。熱可塑性プラスチックの特性の実用化を目的とした産業研究開発はまだ「初期段階の技術準備レベル」にあるが、最終的には航空宇宙技術者が熱可塑性プラスチックと金属のハイブリッド統合構造を含むコンポーネントを設計できるようになる可能性がある。

潜在的な用途の 1 つは、たとえば、乗客が機内エンターテイメント オプション、座席照明、オーバーヘッド ファンを選択および制御するために使用するインターフェイスに必要な金属ベースの回路をすべて備えた一体型の軽量旅客機の座席です。 、電子制御シートリクライニング、ウィンドウシェード不透明度、その他の機能。

ディオン氏によると、部品を作るときに必要な剛性、強度、形状を作り出すために硬化が必要な熱硬化性材料とは異なり、熱可塑性複合材料の分子構造は部品を作るときに変化しないという。

その結果、熱可塑性材料は、熱硬化性材料よりも衝撃に対する耐破壊性がはるかに高く、より強力ではないにしても同様の構造靭性と強度を提供します。 「そのため、より薄いゲージで[部品]を設計できます」とディオン氏は言いました。これは、熱可塑性プラスチック部品が金属ネジや留め具を必要としないという事実から生じる追加の軽量化を別にしても、熱可塑性プラスチック部品は、代替の熱硬化性部品よりも軽量であることを意味します。 。

熱可塑性樹脂部品のリサイクルは、熱硬化性部品のリサイクルよりも簡単なプロセスであることも証明されるはずです。現在の技術水準では (そして今後しばらくは)、熱硬化性材料の硬化によって生じる分子構造の不可逆的な変化により、同等の強度の新しい部品を製造するためにリサイクル材料を使用することはできません。

熱硬化性部品のリサイクルには、材料内の炭素繊維を細かく粉砕し、再処理する前に繊維と樹脂の混合物を燃焼することが含まれます。再処理のために得られた材料は、リサイクル部品の原料となった熱硬化性材料よりも構造的に弱いため、熱硬化性部品を新しいものにリサイクルすると、通常は「二次構造が三次構造に」変わるとブラウン氏は述べた。

一方、熱可塑性プラスチック部品の分子構造は部品の製造プロセスや部品の接合プロセスで変化しないため、単に溶かして液体の状態にし、元の部品と同じ強度の部品に再加工することができるとディオン氏は述べています。

航空機設計者は、部品の設計と製造に利用できるさまざまな熱可塑性材料を幅広い選択肢から選択できます。ディオン氏によると、一次元の炭素繊維フィラメントや二次元の織物を埋め込むことができる「かなり広範囲の樹脂」が利用可能であり、さまざまな材料特性を生み出すことができるという。 「最も魅力的な樹脂は低融点樹脂です。低融点樹脂は比較的低温で溶融するため、より低い温度で成形および形成することができます。」

ディオン氏によると、クラスの異なる熱可塑性プラスチックは、異なる剛性特性 (高、中、低) と全体的な品質も提供します。最高品質の樹脂は最も高価であり、熱硬化性材料と比較すると、熱可塑性樹脂のアキレス腱となるのが手頃な価格です。通常、それらは熱硬化性樹脂よりも高価であり、航空機メーカーは費用対効果の設計計算でその事実を考慮する必要があるとブラウン氏は述べた。

その理由もあり、GKNエアロスペースなどは、航空機用の大型構造部品を製造する際に、今後も熱硬化性材料に最も注力していくだろう。彼らはすでに、尾翼、舵、スポイラーなどの小型構造部品の製造に熱可塑性材料を広く使用しています。しかし、すぐに軽量熱可塑性プラスチック部品の大量かつ低コストの製造が日常的になると、メーカーはそれらを、特に急成長する eVTOL UAM 市場で、さらに広範囲に使用するようになるだろうとディオン氏は結論付けました。

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