Fraunhofer IPT、水素貯蔵・航空機エンジンブレード等への熱可塑性複合材イノベーションを推進

Fraunhofer IPTの開発には（左上から時計回りに）熱可塑性複合材航空エンジンファンブレード、レーザー構造化とAFPによるハイブリッド複合材・金属構造、複合材の構造健全性モニタリング（SHM）、Conbilityが商業化したPrePro 2D/3Dシステムなどの熱可塑性複合材テープ加工システムが含まれます。写真提供：Fraunhofer IPT

2020年12月、Fraunhofer生産技術研究所（IPT、ドイツ・アーヘン）が熱可塑性CFRP航空エンジンファンブレードの完全自動テープ積層・成形を開発していることを記事にしました。熱可塑性複合材テープのインサイチュ統合（ISC）は、IPTがISCのパイオニアであるAccudyne Systems Inc.（米国デラウェア州ニューアーク）とAutomated Dynamics（現Trelleborg Sealing Solutions Albany、ニューヨーク州ニスカユナ）とともに初期から推進してきた分野です。【これらISCパイオニアについては「その場で熱可塑性航空構造を統合、パート1とパート2」参照。】「IPTは1988年からレーザー支援テープワインディング（LATW）に取り組んでおり、今も主要テーマの一つです」とFraunhofer IPTの繊維強化プラスチック・レーザーシステム技術部門チーフエンジニア兼部門長、ヘニング・ヤンセン博士は説明します。LATW技術は特に過去10〜15年で大きく進化しました。このブログでは、Fraunhofer IPTのLATW開発と熱可塑性複合材全般の取り組み、そして同研究所が見据える技術の将来について詳述します。

レーザーテープワインディングの進化

「30年前に始めた頃、レーザー技術は熱可塑性複合材の高速処理に対応できていませんでした」とヤンセン博士。「制御側ではアナログカメラしかありませんでした。今は技術が大幅に向上しています。例えば2008年にコンパクトなレーザーワインディングヘッドを開発し、AFPT Germany（ドイツ・デルト）の設立につながった際、16×16ピクセル、毎秒8フレームのカメラを使用していました。現在は640×480ピクセル、毎秒50フレーム以上の処理が容易です。」これは重要です。「我々が開発したレーザーテープワインディングの主な利点の一つは、プロセスを『覗き込み』、ミリ秒単位で処理パワーを変更できることです。例えば、複雑な形状（圧力容器のドームなど）を巻き回る際、巻き速度が低下するのでレーザー加熱出力を下げなければなりません。その後、タンク胴部で速度が戻ると再調整が必要です。15年前はレーザー、制御システム、サーマルイメージング技術が未成熟か、高価すぎ、あるいは十分な性能がありませんでした。」

ヤンセン博士は続けます。「デジタル側で大きな進歩がありました。例えば、デジタルツインのようなものを提供し、すべてのセンサー情報を圧力容器にマッピングして、製造品とデジタル設計を比較し、品質評価と性能予測が可能です。仮想プロセスセンサーとモデルを用いることで、加工履歴で定義されるラミネート強度も予測できます。」これは重要です。LATWで熱可塑性テープを使用する場合、急速加熱・冷却により材料・部品特性がワインディングプロセス自体で決定されるからです。熱後処理工程がないため、迅速なプロセス制御能力が不可欠です。

材料面でも進展があります。「20年前は、CytecのAPC-2（現Solvay、米国ジョージア州アルファレッタ）など、利用可能な熱可塑性複合材テープ材料は限られていました」とヤンセン博士。「しかし今では、工業用途に適格な材料が大幅に増え、ポリプロピレン（PP）カーボンファイバー/ガラス繊維強化やポリアミド6（PA6）などの汎用材料もあり、自動車業界で多用されています。また、LATWの用途も大量生産寄りのものが出てきています。例えば、電気モーターのリテンションスリーブなどの部品です。これらは単純な熱可塑性複合材リングやチューブですが、年間1万〜5万個のボリュームがあります。」

ambliFIBRE、石油・ガス用パイプ

上述のLATWデジタル制御の一部は、ambliFIBREプロジェクト（2015〜2018年）で開発されました。「多くのパートナーが参加しました」とヤンセン博士。「その一つがBaker Hughes（英国ニューカッスル、米国テキサス州ヒューストン）で、我々のLATW装置を彼らの非金属パイプに使用しました。」ambliFIBRE終了直後の2018年、Baker Hughesはサウジアラムコ（サウジアラビア・リヤド）とのジョイントベンチャーを発表し、非金属パイプの利用拡大、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）の可能性も含めて検討を開始しました。

Baker Hughesは現在、エネルギー分野への非金属材料導入を加速させており、Magma（英国ポーツマス）など他社もレーザー技術でパイプ製造を行っています（「深海での熱可塑性パイプの台頭」「Magma Global、高圧複合材ライザーを納入」参照）。

「レーザーテープワインディングを熱可塑性複合材ライザーとフローラインに使用することもかなり一般的です」とヤンセン博士。「ただ、他業界ではまだあまり知られていません。」最近のLATWへの注目は水素貯蔵タンクに集中していますが、この技術はすでにはるかに広範な用途を持っています。

ambliFIBREプロジェクトでは、Fraunhofer IPTが不連続（タンクなど）と連続テープワインディングの両方で、数キロメートルのパイプ製造などのためのデジタルプロセス制御モデルを開発しました。写真提供：Fraunhofer IPT ambliFIBREプロジェクト動画

「これらの用途で我々が提供できるのは鍵となるものです」とヤンセン博士。「ここではフルスケールの連続パイプ生産ラインを運営しているわけではありませんが、顧客向けに材料試験と製品認定を行っています。例えばDNV-GL F114ベースの試験ピラミッドでは、ポリマーと繊維の適格性試験から始まり、複合材ラミネートの微細構造・中間構造へとスケールアップします。クーポンレベルで多くの試験を行い、小口径パイプや代表的なパイプへと拡張します。ワインディングはプレスや自動テープ積層（ATL）とは異なる特性を与えるためです。」

また、「材料に異なる応力がかかるため、多くの複合材は小口径パイプ（例：2〜3インチ、数メートル長）で試験されます。この試験を行い、実部品長（例：2〜3km）へのプロセス理解を適用します。これは非常に興味深い点で、その長さでの加工時間は数日に及び、収縮や周囲気温変化などの影響も考慮しなければなりません。」

水素貯蔵タンクへのLATW適用

ヤンセン博士によると、Fraunhofer IPTは2000年から石油・ガス企業と協力してきました。「8年前、これが水素タンクに必要な技術とほぼ同じだと気づきました」と振り返ります。「現在、IPTでは水素製造の大型イニシアチブと、燃料電池用カーボンファイバー複合材にも取り組んでいます。自動燃料電池製造のための8,000万ユーロ施設を建設中で、大型ワインディング施設にも投資し、全長7m、直径2.5mまでの部品製造が可能になります。これらは大型圧力容器にも使用します。」

ヤンセン博士によると、熱可塑性複合材テープを用いたLATWは圧力容器製造における最先端技術ではまだありません。「熱可塑性樹脂の化学、加工、耐久性がまだ研究段階だからです。しかし、熱可塑性樹脂が提供する低透過性、靭性、リサイクル性が重要だと強く信じています。」また、別個の熱可塑性ライナーを使わないオール複合材のType V圧力容器での熱可塑性樹脂の可能性も見ています。「これらは燃料電池電気トラックなど、一部の移動式水素貯蔵用途の将来的ソリューションになるかもしれません。」

「従来の熱硬化性フィラメントワインディングは最小巻き角度に制限があります」とヤンセン博士。「例えば、ドーム周りをヘリカル層で巻く際、繊維角度は10°未満にはできません。したがって、従来のフィラメントワインディングタンクに0°補強を入れることはできません。」しかし、「従来のLATWでは、着材の熱可塑性プリプレグが基材に直接溶着されるため、任意の方向に巻け、設計自由度が大幅に高まります。現在、自動車業界のパートナーと、安全でエネルギー効率が良く、リサイクル容易な熱可塑性水素貯蔵圧力容器の開発プロジェクトを進めています。」

熱可塑性複合材ファンブレード

Fraunhofer IPTはターボ機械分野で非常に強いバックグラウンドを持つとヤンセン博士。「ここアーヘンには国際ターボ機械製造センター（ICTM）があり、エンジンメーカーとサプライヤーが共同でプリコンペティティブなR&Dプロジェクトを行い、製造技術の開発・向上を図っています。」

過去20年は、圧縮機セクションとタービンの先進製品（ブレード一体型ディスク＝ブリスクなど）のチタンやニッケル基合金の機械加工が主眼でした。一方、コールドセクションでは、1990年代にGEが開発したカーボンファイバー複合材ファンブレードなどが、GE90とGEnxで実用化されています。「しかし現在、セラミックマトリックス複合材（CMC）がジェットエンジンのホットセクション向け次世代材料と見なされています」とヤンセン博士。「より高温で軽量化し、効率向上を可能にします。」

「複合材部品の製造は金属とは大きく異なります」と同氏。「金属は塊から削り出す減法加工（主に機械加工）なので、設計は製造にあまり依存しません。複合材は常に何らかの付加的プロセスを必要とするため、真逆です。そこで、製造の観点から新しいファンブレード戦略に取り組むことにしました。」

Clean Sky 2共同事業にも注目されます。Fraunhoferがエコデザイン活動を主導しています。Fraunhofer IPTはエンジンのエコデザイン、ライフサイクルアセスメント、環境影響評価に焦点を当てています。「そのため熱可塑性複合材に着目し始めました」と同氏。「現在はまだ非常に低いTRL（技術成熟度レベル）です。現段階では製造について、ニアネットシェイプ積層と少しの熱成形（キャリブレーション的ステップ）、そして仕上げ機械加工など、さまざまなプロセスルートを試しています。まだやるべきことはたくさんあります。」

一方、Fraunhofer IPTは金属航空エンジン部品の機械加工専門知識を複合材に拡張し、デジタル技術で全ブレードの機械加工パラメータを監視・評価しています。しかし複合材の目標は、廃棄物削減のため減法製造から付加製造へ移行することではないのですか？「はい、しかし一部のプロセスルートでは、寸法公差を満たすために機械加工が必要です」とヤンセン博士。「現在取り組んでいるのは非常にニアネットシェイプです。」

現在開発中の設計は、ルートで0.75インチ厚の熱可塑性ラミネート、チップでわずか2mm厚です。「さまざまな設計戦略を設計エンジニアと議論しています。また、オートクレーブやプレス工程が必要かどうかも、内部応力に関わる重要な要素です。このブレードは回転時に少しねじれることがわかっています。もちろんバードストライクも重要課題です。」後者について、ヤンセン博士は熱可塑性樹脂の靭性向上をイネーブラーと見なし、PPS（ポリフェニレンサルファイド）複合材がウィングリーディングエッジで同じ理由で使われていることを指摘します。

熱可塑性複合材の将来用途

エンジンナセルへの熱可塑性複合材適用の可能性について尋ねました。2021年3月のAviation Week記事によると、ブレード破片がエンジンカバー（ナセル）の各部位に衝突し、エンジンインレットやファンカウルなどの大型構造物が破損・離脱する一連の事象が4件発生し、全件で機体損傷、2018年4月のサウスウエスト航空1380便では窓が外れ乗客1名が死亡しています。

「エンジン区画への熱可塑性複合材利用に業界から関心があります」とヤンセン博士。「しかし、これは長期的な開発です。」課題の一つは航空当局の認証です。Fraunhofer IPTもこの分野で活動しています。「認証機関と、新しい製造プロセスが現在および進化する基準に適合することをデジタルで証明することで、認証作業を軽減できるか議論しています。これは新しい考え方です。21世紀の製造では膨大なデータが利用可能であり、単一プロセスや設計を試験で認証して凍結するだけではありません。」つまり、インダストリー4.0と複合材4.0の重点は、センサーとAI搭載ソフトウェアが継続的にデータを収集しインテリジェンスを構築、製造を継続的に最適化し、そのインテリジェンスをデジタル糸を通じて設計にフィードバックして改善することです。これは今日の製造とは大きく異なります。

Fraunhofer IPTの認証関連の取り組みについて、ヤンセン博士は「技術、設計、リスク管理を含むすべての側面が考慮されれば、エンジン部品への熱可塑性複合材などの新技術導入を可能にするでしょう」と述べます。熱可塑性複合材は多様な産業分野の主要課題克服に大きな潜在力を持つと主張し、Fraunhofer IPTはデジタル製造手法の活用などで熱可塑性複合材の加工複雑性克服に取り組んでいます。「さらに、熱可塑性複合材のポテンシャルを完全に引き出すには、リユースとリサイクルを含むフルライフサイクルを考慮する必要があります」とヤンセン博士。「したがって、Fraunhofer IPTは熱可塑性複合材の機械的リサイクルにも取り組んでいます。製造中に生成されるデータと、複合材部品の全ライフサイクルで生成されるデータの両方を考慮することで、高付加価値のリサイクル材料実現が可能になると見ています。」