低生産量航空機構造向け自動複合材生産の最適化

商業航空機用複合材航空構造の製造は50年以上にわたり、より小さな部品から、2000年代初頭にボーイング787とエアバスA350で開発された超大型一次構造（胴体、翼、尾翼、エンジン）へと着実に進歩してきました。この進化の大半は、オートクレーブ硬化カーボンファイバー/エポキシプリプレグに依存し、当初は手作業で、最終的には自動繊維配置（AFP）、自動テープ積層（ATL）、その他機械ベースプロセスで積層されてきました。

これらの材料・プロセス（M&P）技術は、パンデミック前には月産10〜15機のビルドレートを持つ広胴787とA350に適していました。しかしボインとエアバスが将来を見据え、単通路機の一次構造に複合材を適用することを検討する中、期待される月産60〜100機のビルドレートに対応するため、設計とM&Pは高レート、オートクレーブ外（OOA）、高度自動化プロセスを好むようになります。これらには樹脂移行成形（RTM）、圧縮成形、液体樹脂インフュージョンなどが含まれます。

しかし、高レート製造が商業航空宇宙セクターを支配するとしても、地域機やビジネスジェットプログラムを含む低レート航空機向け複合材航空構造の製造は継続するだけでなく、高レートプログラムに導入されるコスト、設計、M&Pイノベーションの一部から恩恵を受けることができ、また受けるべきです。

こうした背景から、欧州Clean Sky 2プログラムはOPTICOMS（Optimized Composite Structures for Small Aircraft）を立ち上げました。OPTICOMSは、革新的自動化技術、材料、ソフトウェア、工具、機械を供給するパートナーとともに、航空宇宙ファブリケーターIsrael Aerospace Industries（IAI、イスラエル・ロッド）が主導するコンソーシアムです。OPTICOMSの目的は、自動製造、統合構造、OOA硬化、大型構造接着、革新的製造・組立工具、接合部の構造健全性モニタリング、バーチャルテストを特徴とする低レート生産翼箱設計を評価することです。

IAI航空グループR&Dディレクター兼OPTICOMSマネージャーのアーノルド・ネイサン氏は、「自動化を複合材製造の議論に持ち込むと、よく『自動化はいいが、大量生産の時だけだ』と言われます。OPTICOMSは、大量生産がない場合でも自動化を正当化できるかを探るために設立されました。複合材製造自動化は低ボリュームで競争力があり、コスト効率が良いのか？」と語ります。

翼設計

OPTICOMSは、イタリアのビジネス機メーカーPiaggio Aerospace（ジェノバ）からのClean Sky 2要請から生まれました。P180 Avanti 9人乗りビジネスツインターボプロップの全複合材代替翼の開発です。翼箱は全長6.8m、ルート幅0.71m、チップ幅0.28m。Piaggioは、同寸法で20%軽量化、従来の複合材翼箱製造比20〜30%コスト削減を提供する、全金属レガシー翼箱の代替案を熱望していました。IAIとパートナーが契約を獲得し、2016年からPiaggioと協力を開始しました。

OPTICOMSは、自動製造される低生産量全複合材翼箱の最適翼設計、材料組み合わせ、OOA製造プロセスを評価・決定するため、一連の高度に詳細で入念なトレードスタディを実行するマルチパートプログラムとして設計されています。

IAIとOPTICOMSは早期に、3つのパートナーから提供される3つの製造プロセスの評価に焦点を当てることを決定しました。Techni-Modul Engineering（TME、フランス・クード）供給のドライ/プリプレグ生地の自動ロボットピック・アンド・プレース、Coriolis Composites（フランス・ケベン）供給のドライ/プリプレグトウの自動繊維配置（AFP）、Danobat（スペイン・エルゴイバル）供給の自動ドライ材料配置（ADMP）技術です。これらの技術とパートナーの選定が、IAIのマルチバリアントトレードスタディを導く上で重要でした。

設計結果

• 一体型マルチスパー（3スパー）設計で組立を最小化
• 「働く」荷重支持スキンがスパーから機械的応力を軽減
• SHM付き接着下面スキンで機械的ファスナー不要

このトレードスタディの第一歩は設計評価でした。この取り組みはIAIのアダム・ソーデイ氏（先進技術構造設計エンジニア）が主導しました。ソーデイ氏とIAIは翼の設計にクリーンシートアプローチを取り、多様なアーキテクチャで18以上のコンセプトを検討しました。設計はすぐに2つのカテゴリーに分類されました。第一は翼箱スキンが荷重支持構造になる「働く」スキンを採用するもの。第二は非作業スキンに荷重スパーキャップを採用するもの。これらのカテゴリー内で、リブ・ストリンガー・2スパーの伝統的コンセプト、またはリブ・ストリンガーなしの3スパー（マルチスパーと呼ばれる）が検討されました。いくつかのコンセプトでは、半作業スキンを生成するサンドイッチパネル構造も考慮されました。

「我々のマントラは製造努力と組立努力の削減でした」とソーデイ氏。「より効率的で一体化した構造を開発できれば、より安価で軽量な構造が得られると信じています。」

設計は、プログラムのコストと重量目標達成能力を評価する一連の指標で測定されました。指標には、材料コスト、設計複雑性、部品製造コスト、組立コスト、非破壊検査（NDT）コスト、工具・治具コスト、重量、強度、技術成熟度レベル（TRL）、生態学的配慮、リスクプロファイル、堅牢性、信頼性が含まれます。其中、最も重く重み付けされた基準は重量、製造・組立コスト、設計複雑性、TRL、リスクプロファイルでした。

最終設計への絞り込み

この評価データにより、IAIは設計コンセプトを10の最終候補に絞り込みました。4つがマルチスパー/働くスキン、1つがマルチスパー/非作業スキン（荷重スパー）、4つがマルチリブ/働くスキン（ストリンガー付き）、1つがマルチリブ/働くスキン（ストリンガーなし）、1つがサンドイッチ構造/働くスキン（ストリンガーなし）。各設計はさまざまなプリキュア、コキュア、接着、機械的締結の組み合わせを提案しました。

最終設計への絞り込みには、最初のスタディと同じ多くの基準を用いたもう1ラウンドのトレードスタディが必要でした。各設計は基準をどの程度満たすかに基づきトレード値が与えられました。「大きなトレードオフテーブルがあり、各設計オプションに値があり、これで最強のオプションが見えました」とソーデイ氏。

最初からトレードスタディで一貫して良好な性能を示し、トップになる可能性が高い設計が1つありました。それが内部で「マルチスパー/働くスキン #2」と呼ばれたものです。高度に統合されコキュアされた上面スキンと3スパーを特徴とします。これらはアクセスパネル付き下面スキンに接着されます。スパー間の選択的な位置に「バックアップ」リブシリーズを配置し、曲げ荷重の大部分を担うスキンをサポートします。

「我々が開発した最も有利な構造は、スキンが荷重支持になるマルチスパー構造でした」とソーデイ氏。「スパーはよりシンプルで薄い構造になり、従来の複合材翼設計ほど重くありません。スパーを定断面の非常にシンプルなものにできれば、多くの手間とスクラップを削減できると考えました。」

ソーデイ氏によると、接着一体型マルチスパー/働くスキン設計は、組立コスト削減、低重量、自動化容易性、全体的な低部品数で特に有望でした。しかし問題は残っていました：どの材料とどの製造プロセスがこの設計の実現に最適か？

M&Pトレードスタディ

まず材料トレードスタディを行いました。これはIAIのヤニフ・ユロビッチ氏（複合材エンジニア）が実施。OPTICOMSはPiaggio、IAI、技術パートナーの推奨に基づき、OOAカーボンファイバープリプレグ、ドライカーボンファイバー（テープと生地）、樹脂を評価し、35の適格・新規材料リストを作成しました。

この第一群材料を、OPTICOMSプロジェクトで最も重要なパラメータ（コスト、ガラス転移温度Tg、インフュージョン/射出用粘度、自動積層技術への適合性）でスクリーニングし、20のプリプレグ、ドライファイバー、樹脂に絞り込みました。

これら20材料のサンプルを発注し、ユロビッチ氏がクーポンを作成し機械試験を実施して次の絞り込みを行いました。「非常に大きな作業パッケージでした」とユロビッチ氏。「これでより多くの決定が可能になり、最終3材料を選定できました。」選ばれた繊維/樹脂組み合わせは以下の通りです。

• Toray Composites Materials America（米国ワシントン州タコマ）の2510カーボンファイバー/エポキシプリプレグ。
• Hexcel（米国コネチカット州スタンフォード）のHiTapeカーボンファイバーUDテープ、HexcelのHexFlow RTM6エポキシ樹脂と併用。
• SAERTEX（ドイツ・ザーアベック）供給のカーボンファイバー不クリンプファブリック（NCF）、Solvay Composite Materials（米国ジョージア州アルファレッタ）のPRISM EP2400靭性エポキシでインフュージョン併用。

このリストは明らかにドライファイバーを好み、ひいてはインフュージョンを製造プロセスとして支持します。ネイサン氏によると、これは低生産量環境でのプリプレグ棚持ち寿命管理の課題に一部起因します。「低ボリューム生産では、大量のプリプレグを抱え、棚持ち寿命管理を心配したくありません。ドライファイバーにはその問題がありません。」

これら3材料は、OPTICOMSで選定された製造プロセスの1つ以上とペアリングされました。Torayプリプレグはピック・アンド・プレースとAFP、Hexcel HiTape/RTM6はAFPとピック・アンド・プレース、SAERTEX NCFはピック・アンド・プレースまたはADMPとマッチします。

自動製造プロセスに関するトレード（どの技術がどの部品タイプに最適か）はIAIとOPTICOMSで現在も実施中です。しかしネイサン氏によると、予備結果は技術を特定の方向に明確に指し示しています。例えば、DanobatのADMP技術（元々風力タービンブレード製造での広幅生地高速配置向けに開発）はOPTICOMSでも同様に効率的であることが証明されました。技術はOPTICOMSで成熟し、堅牢性と信頼性が向上しましたが、AFPと比較するとまだ航空宇宙積層技術としては成熟度が低いです。

逆に、豊富な航空宇宙経験を持つCoriolisシステムのAFPは成熟した精密技術ですが、ADMPより積層時間が長く、異常検知のため比較的頻繁な検査が必要です。Coriolisはインライン・リアルタイム積層検査の開発でOPTICOMSプロジェクトを通じて顕著な進歩を遂げたとネイサン氏。最後に、TMEのピック・アンド・プレース技術（カッティングテーブルから金型へのカット生地移送を自動化する設計）は、マルチスパー/働くスキン設計のバックアップリブのような小型離散部品に最も効果的であるようです。

次のステップ

OPTICOMSはプログラムが設定した自動化、コスト、重量削減目標を達成する軌道にあるとネイサン氏は述べますが、製造プロセスと組立ソリューションの評価にはまだ数ヶ月の作業が残っています。

「これがOPTICOMSの重要な点です」と同氏。「設計の堅牢な絞り込み、材料の絞り込み、プロセスの絞り込みを行いました。これすべてに時間と労力がかかります。これがプロジェクトのユニークな側面の一つです。」

OPTICOMSはプロジェクト目標を支援・確実化・強化する技術とハードウェアのため、3回の提案募集（CFP）を開始しました。採択提案はOPTICOMS「マザー」コアパートナーに関連する補完的Clean Sky 2プロジェクトとなり、共通目標に向かって協力します。

第一の取り組みはFITCoWで、働くスキンと3スパーのコキュア用新規一体型カーボンファイバー工具システムを開発します。FITCoWの目標は野心的：製造部品コスト50%削減、工具コスト30%削減（金属代替比）、製造時間20%削減（オートクレーブ/OOA代替比）、CTEミスマッチ40%削減（インバー工具比）、加熱・冷却時間20%削減、寸法制御能力向上による検査時間40%削減。

スパー/スキン構造を下面スキンに接着するため、第2CFPでWIBONDプロジェクトが生まれ、接着剤塗布、適切な圧力適用、接合部への光ファイバーセンサー組み込みによる接合部構造健全性モニタリングを行う接着組立工具を開発します。CWはこのおよび他の組立技術について、2022年公開予定の別記事で報告します。

第3CFPは、残留応力によるスパー/スキン構造の「スプリングイン」という重要課題に対処するため開始されました。これらの変形は接着組立プロセスに悪影響を及ぼします。ELADINEプロジェクトがOPTICOMSに参加し、熱異方性、重合収縮、工具・部品相互作用、樹脂流れと締密化、構造全体の温度勾配をモデル化・予測するソフトウェアを開発します。

IAIとOPTICOMSの現在の主な焦点は、2022年第2四半期までに完全な6.8mデモンストレーター翼をPiaggioに納入し、静的・疲労試験を行うことです。その後、翼の全体性能と設計・材料・プロセスがプロジェクト基準を満たす能力を分析します。続いてPiaggioから商業化に向けた潜在的次のステップについての推奨が出されます。

Piaggio以外でも、IAIはOPTICOMS翼箱が他の航空機への応用可能性を期待しています。「このプロジェクトは特定航空機ベースですが、異なる厚みとサイズにスケーラブルな設計を目指しました」とソーデイ氏。「この技術が高い適応性を持つべきだという視点を決して失いませんでした。」