航空宇宙用プラスチック
軽量化は、航空宇宙部品の製造における設計および材料選定において重要な課題です。機能性や性能上絶対に必要な場合を除き、強度のある金属や合金を選択すると、製造コストや燃費効率の面でコストが高くなる可能性があります。
メーカーは エンジニアリングプラスチック 旅客機用であろうと軍用機用であろうと、多様な航空宇宙部品を製造する。 以降の章では、航空宇宙分野で一般的に使用される8種類のプラスチック、その用途、そして航空宇宙用プラスチック部品の製造に用いられる製造プロセスについて詳しく解説します。
始めましょう。
1. ポリカーボネート（PC）
航空宇宙グレードのポリカーボネート
ポリカーボネートは、丈夫で軽量かつ耐久性に優れた熱可塑性樹脂であり、高い寸法安定性と耐熱性を備えているため、様々な航空機部品の製造に用いられています。航空機メーカーは、ガラスやアクリルの代替品としてポリカーボネートを選択することがよくあります。
さらに、ポリカーボネートは 耐衝撃性プラスチック最大90%の視認性を提供し、厳しい公差で機械加工でき、光学的な透明度を高めるために研磨仕上げが可能です。
航空宇宙分野におけるポリカーボネートの応用
Windows
PCは、高い光学的な透明度と高い応力に耐える能力を持つため、航空機の窓の製造に使用されます。
シールドとガード
高い耐衝撃性と視認性を備えたポリカーボネートは、安全バイザー、ヘルメット、フェイスシールド、その他の保護具の素材として最適です。
コックピット計器
PC樹脂の難燃性、透明性、耐衝撃性、寸法安定性は、コックピット計器類にとって有用である。例えば、ディスプレイ画面カバー、HUDコンバイナーパネル、スイッチガード、アビオニクスハウジングなどが挙げられる。
照明器具
LEDライトパイプ、ドーム型ライトカバー、エッジライトパネル、光拡散板などの屋内および屋外照明器具。
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2. ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）
PEEK製航空宇宙部品
ポリエーテルエーテルケトン、または asfasdfは、構造部品やエンジン部品から電気コネクタまで、さまざまな航空宇宙用プラスチック部品の製造に使用される高性能プラスチックの1つです。 PEEKは、高い剛性、引張強度、クリープ耐性、耐薬品性、低毒性、および高温（最高250℃）での性能を備えています。さらに、PEEKグレードは航空機内装材として認定された難燃性ポリマーです。
航空宇宙分野におけるPEEKの応用
エンジンおよびヒートゾーンコンポーネント
PEEKの高い引張強度、曲げ弾性率、剛性、および熱安定性は、航空機エンジンや熱にさらされる部品（例えば、コンプレッサーシール、バルブシート、スラストワッシャー、ブッシングなど）にとって有益です。
構造アプリケーション
PEEKは軽量で優れた機械的特性を持つため、精密なファスナー、補強材、クリップ、シートアーム、配線ブラケットなど、航空機の構造部品に適しています。
高性能複合材料
航空宇宙産業では、機械的特性および物理的特性を向上させるために、いくつかの高性能複合材料が利用されています。そのため、PEEKはCF-PEEK、GFRP、および石英繊維複合材料の製造に使用されています。
3. ポリエーテルイミド（PEI）
PEIプラスチック
ポリエーテルイミド、または PEIプラスチックは、優れたクリープ耐性、柔軟性、軽量性、強度、成形加工性を備えた非晶質ポリマーです。したがって、グレードは UL94 V-0 航空機内装材として認定されている難燃性ポリマーの一つである。
これらの特性を総合的に考慮すると、PEIは航空宇宙部品製造において優れた熱可塑性樹脂の選択肢となる。
航空宇宙分野におけるPEIの応用
内部構造
軽量で難燃性があり、かつ丈夫な航空機内装部品。例えば、壁材、化粧室設備、客室備品など。
エアダクトシステム
ダクト、換気ハウジング、エアフローガイドなど、熱的に安定した空調ダクトシステム部品。
4. ポリプロピレン(PP)
ポリプロピレンシート
ポリプロピレン（PP）は、構造部品としてではなく、内装材、包装材、保管材として使用される航空宇宙用プラスチックの一つです。高い疲労強度、柔軟性、耐薬品性、そして低い吸水性を備えています。
したがって、ポリプロピレン製の部品は、CNC加工、射出成形、その他のプロセスを用いて容易に製造できます。
航空宇宙分野におけるPPの応用
航空機内部
内装トリム、アームレスト、シート部品、サイドパネル、ベゼル、トレイテーブルなど、さまざまな内装部品。
保護アイテム
これは、電気接続箱、コネクタカバー、バッテリーケースなど、さまざまな機器や部品を保護するシールドと筐体を意味します。
非構造部材
ポリプロピレンは、クリップ、クランプ、端子キャップ、アクセスカバーなど、強度が最重要要件ではない場合にも好んで使用されます。
5. ポリテトラフルオロエチレン (PTFE)
PTFE製航空宇宙用ブラケット
ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、テフロン®とも呼ばれます。幅広い温度範囲（通常は-200℃から260℃）で使用できる高性能プラスチックです。
PTFEは、摩擦係数が低いこと、耐薬品性、低ガス放出性、高い寸法安定性、および電気絶縁性でも知られています。
航空宇宙分野におけるPTFEの応用
電気絶縁
PTFEは、電線、ケーブル、コネクタ、ハーネスなどの絶縁体を含む、さまざまな電気絶縁部品に使用されます。
流体ライニングシステム
燃料システム、油圧回路などに使用されるシール、ガスケット、ブッシュ、ライナー。
回転部品／低摩擦部品
PTFEは摩擦係数が低く自己潤滑性を持つため、アクチュエータブッシュ、スライドパッド、ワッシャー、スペーサーなどの回転・可動部品に最適な航空宇宙用プラスチックです。
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6. ポリエチレン（PE）
HMW-PE
ポリエチレン（PE）は、軽量な航空宇宙用プラスチックであり、優れた耐薬品性、耐疲労性、耐摩耗性、低アウトガス性、および電気絶縁性を備えている。 航空宇宙分野では、高分子量ポリエチレン（HMW-PE）は、その高い強度対重量比から航空機用途で広く用いられています。そのため、軽量化が可能となり、燃費向上につながります。
航空宇宙分野におけるPEの応用
電気絶縁
航空機の電気系統における電線・ケーブルの絶縁材。信頼性向上に不可欠です。
航空機における配管システム
油圧システム、燃料ライン、電気ダクト、冷却システム用のパイプおよびチューブ。
保護部品
ポリエチレンは強度と衝撃吸収性に優れているため、航空機内の様々な計器類の保護ケースに適したプラスチック素材である。
パッケージング
PEは、航空宇宙製造部品を損傷や傷なく輸送するための優れた包装材です。
7. ポリアミドイミド（PAI）
PAIプラスチック
ポリアミドイミド、またはPAIプラスチックは、丈夫で 耐熱プラスチックガラス繊維や炭素繊維の充填材と併用することで、性能向上を図ることがよくあります。また、PAIは250℃までの温度で強度を維持できるという大きな利点もあります。
したがって、PAI航空宇宙用プラスチックは、高応力、腐食性、および熱的に不安定な環境に適している。
航空宇宙分野におけるPAIの応用
耐荷重コンポーネント
サポートワッシャー、ファスナー、スペーサー、リンク部品など、精密な荷重支持部品および構造部品。
電気絶縁体
コネクタハウジング、航空電子機器配線用被覆材、電子機器用支持フレームなど、電子部品用の各種電気絶縁体および支持部材。
流体制御インターフェース
油圧機器、燃料部品、バルブ部品などの耐候性ガスケットといった、流体制御システム用のシールおよび接触面。
温度に敏感な部品
PAIは幅広い許容動作温度範囲を持つため、燃料システムのバルブシート、クリップやファスナー、断熱材などに最適な材料の一つです。
8. 熱可塑性複合材料
熱可塑性複合材料
航空宇宙産業では、高性能部品に様々な複合材料が用いられます。複合材料は、熱可塑性樹脂に充填材を添加することで強化されます。例としては、PEEK、PPS、PCTFEなどが挙げられます。
炭素繊維、ガラス繊維強化繊維、アラミド繊維は、熱可塑性樹脂で強化される一般的な充填材である。
そのため、航空宇宙メーカーは、航空宇宙設計の柔軟性を考慮して、熱可塑性樹脂の複合材料を選択しています。以下に、通常の熱可塑性樹脂ではなく複合材料が選ばれる理由を示します。
- より軽い体重で、同等またはそれ以上の筋力を発揮できる。
- 腐食、化学薬品、湿気に対する耐性が向上しています。
- 複合材料は、通常のプラスチック材料よりも信頼性が高く、耐久性に優れています。
- 修理が容易で、耐用年数が過ぎた後はリサイクルできる。
航空宇宙用プラスチック部品の製造プロセス
CNC加工、射出成形、真空成形、および二層薄板成形は、航空宇宙用プラスチック部品を製造するための4つの主要な技術である。
それでは、それぞれについて簡単に説明しましょう。
CNC加工
機械加工とは、プラスチックやその他の種類のワークピースから材料を除去し、所望の形状を得るプロセスです。CNCフライス加工、旋削加工、穴あけ加工、ねじ切り加工、その他の精密機械加工プロセスは、航空宇宙の試作品や部品の製造に使用されます。
CNC加工は、厳しい公差、滑らかな表面仕上げ、複雑な形状を短納期で実現します。一方で、材料の無駄が多く、量産時のリードタイムが長くなるという2つの大きな制約があります。
射出成形
射出成形は、優れた再現性と迅速な生産サイクルを実現するため、航空宇宙部品の大規模生産に最適です。溶融したプラスチックを高圧で金型に注入し、金型内で流動させてキャビティの形状を捉えるプロセスです。
金型製作に投資すれば、同一部品であれば最大100万回もの成形サイクルが可能になります。航空宇宙分野で使用される射出成形プラスチック部品の例としては、コネクタ、内装トリム、スナップフィット式カバーなどが挙げられます。
真空成形
真空成形とは、加熱したプラスチックシートを金型に被せ、真空引きによって目的の形状に成形するプロセスです。このプロセスは、金型コストが低く、サイクルタイムが短く、設計の柔軟性が高いことで知られています。
メーカーは、計器ベゼルや内装パネルなど、サイズが大きく比較的単純な形状を持つ航空宇宙部品を少量から中量生産する場合に、真空成形を選択する。
二枚重ね熱成形
薄板熱成形では、2枚のプラスチックシートを別々に加熱し、同時に対応する金型に被せ、その後金型面を融合させて単一の中空部品を得る。
この方法は、ダクト、収納コンパートメント、シートバックなど、リブや内部構造を有する中空の航空宇宙部品に適しています。
航空宇宙製造におけるプラスチックの利点
航空宇宙製造においてプラスチックを使用する利点は数多くあり、軽量化、コスト効率、耐腐食性、設計の柔軟性などが挙げられる。
- 軽量： プラスチックは軽量素材であり、航空機の燃費向上に役立つ。
- 耐食性: 航空機用プラスチックの多くは、化学物質、湿気、腐食性環境に対して高い耐性を持っている。
- 熱安定性： PEEKやPAIなどのプラスチックは、幅広い動作温度範囲（最高約250℃）を有しています。
- 電気絶縁： プラスチックは高い絶縁耐力を持ち、電流の流れを遮断する。
- 費用対効果の高い： 航空宇宙製造において、プラスチックは多くの金属や合金と比較して、費用対効果の高い材料選択肢である。
- 密封性と透明性： 航空宇宙用プラスチックの中には、優れた密閉性と光学的透明性を持つものがある。
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航空宇宙用途向けプラスチックの選定時に考慮すべき要素
航空宇宙用途に適したプラスチックの種類を選ぶには、通常、その材料を使用する部品の種類と、用途に応じた要件を考慮する必要があります。
航空宇宙部品用のプラスチックを選定する際に考慮すべき一般的な要素のリストを見ていきましょう。
- アプリケーションシナリオと動作環境
- 航空宇宙産業における規制遵守（例：FST/FAR 25.853）
- 加工の容易さ、例えば、機械加工性、成形性、仕上げ加工との適合性など。
- 原材料のサプライチェーンの信頼性
- 可燃性と強度対重量比
航空宇宙材料の課題と将来の動向
航空宇宙材料の選定において、必要な強度と剛性を損なうことなく軽量化を実現することが最大の課題です。企業は常に、軽量性と機械的強度の最適なバランスを追求しています。
そのため、高性能プラスチックや複合材料は、航空宇宙製造においてますます普及しつつある。
その他の課題としては、次のようなものがあります。
- 低温および高温における熱抵抗
- 材料が繰り返し荷重に耐える能力
- 加工の容易さ、例えば機械加工性など。
- 高性能プラスチックの費用対効果
航空宇宙用プラスチック材料の将来動向
- 軽量複合材料: 炭素繊維強化ポリマー（CFRP）、アラミド繊維、その他優れた強度重量比を持つ先進複合材料の使用。
- 熱可塑性プラスチック: 航空機メーカーは、金属や合金よりも、PEEKやPEIといった高性能熱可塑性樹脂を選択する傾向にある。
- オートメーション： 業界は、高品質かつ安定した品質を確保するために、複合材料製造において自動化技術を活用している。
- 3D印刷： もう一つのトレンドは、航空機部品の製造にポリマー3Dプリンティング技術を用いることである。
航空宇宙用プラスチック市場の規模は、2026年には約10.1億ドルに達すると予測されており、2024年の81億5000万ドルから大幅に増加する見込みである。 Hubspot 化学・材料分野へ航空宇宙用プラスチックの市場規模は、2035年末までに23.3億ドルに達すると予想されており、年平均成長率は9.75%です。
次に、航空宇宙用プラスチックの市場規模の年別予測を示す以下のグラフを見てみましょう。
航空宇宙用プラスチックの市場成長
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結論
総じて、航空宇宙用プラスチックは、客室内装、バックライトパネル、保護部品、電気系統、サブアセンブリの締結部品、およびエンジン近傍の重要なマニホールドなど、さまざまな部品の製造に使用される不可欠な材料である。
高性能プラスチック PEEK、PTFE、PEI、PAI 性能と安全性の要件を満たすだけでなく、軽量化と燃費向上にも貢献する。
ProlenTechでは、 プラスチック加工サービス 航空宇宙、自動車、医療、消費財、エレクトロニクスなど、その他多くの産業向けに、当社は多軸CNC加工機を保有しており、±0.005mmの公差で複雑なプラスチック部品を精密に成形できます。
よくあるご質問
航空宇宙分野ではどのようなポリマーが使用されていますか？
PEEK、PEI、PTFE、PAIなどの高性能ポリマーは、航空宇宙分野で構造部品、電気系統、内装などに使用されています。
航空宇宙グレードの材料とは何ですか？
航空宇宙グレード材料とは、性能、安全性、品質に関する基準要件を満たすように設計された金属、合金、プラスチック、または複合材料のことです。
航空宇宙設計の柔軟性を高めるための熱可塑性樹脂とは何ですか？
PEEK、PEI、PPS、PCは、航空宇宙設計の柔軟性を高めるために一般的に使用される熱可塑性樹脂である。