DLR構造・設計研究所、熱可塑性複合材料機体技術を前進

「LuFoV-3 TB-Rumpf」プロジェクトの一環として、熱可塑性プリプレグ積層板のオートクレーブフリー凝縮と抵抗溶接が、将来の航空機機体のための技術要素としてさらに開発・検証されています。この作業は、ドイツ航空宇宙センター（DLR）構造・設計研究所（BT研究所）がシュトゥットガルトで、エアバスなどの航空宇宙産業パートナーや他の研究機関と協力して行っています。

DLR BT研究所は、スキン、ストリンガー、フレーム、クリートで構成される完全統合型機体交差部を実証しました。デモンストレーターは、共凝縮ストリンガーを備えたOoA（アウト・オブ・オートクレーブ）凝縮曲面スキンと、抵抗溶接によるフレームおよびクリートの統合に基づいています。溶接部は機械試験で特性評価され、溶接ラインは光学顕微鏡でさらに調べられました。

TB-Rumpf、OoA凝縮と溶接を成熟化

連続繊維強化高耐熱熱可塑性樹脂（ポリアリールエーテルケトン（PAEK）など）で作られた大面積部品の凝縮における最先端技術は、オートクレーブ凝縮です。しかし、最適化されたプロセス設定と調整されたプロセス制御により、温度と真空圧力のみを使用して完全な凝縮を達成することが可能です。自己加熱金型やオーブンの使用により、オートクレーブの必要性を排除し、コストメリットを生み出せます。TB-Rumpfプロジェクトは、VCT（真空凝縮技術）と呼ばれるプロセスを成熟化させ、最大積層厚などのプロセス限界を決定することを目的としています。

先進熱可塑性複合材料の将来の応用におけるもう一つの鍵となる技術は、組立のための溶接です。DLRとエアバスは、高強度構造を実現できるため、抵抗溶接を主要技術と位置づけています。TB-Rumpfプロジェクトでは、抵抗溶接プロセスと必要な溶接要素を最適化しています。その結果得られたデモンストレーターは、接合部と溶接複合積層板の機械的性能を検証するために構造試験されています。

真空凝縮技術（VCT）の調査

DLR BT研究所のプロジェクトリーダー、マティアス・ホルン氏は、TB-Rumpfデモンストレーターが単方向カーボンファイバー強化低融点ポリアリールエーテルケトン（LM-PAEK）を使用していると説明します。この熱可塑性複合材料テープは、クーカ（ドイツ、アウクスブルク）のロボットと、デルト（ドイツ）のAFPTエンドエフェクタ、6キロワットレーザーを使用した自動ファイバープレイスメント（AFP）で加工されます。

VCTを用いたOoA凝縮

「目的は、このプロセスが厚い積層板に対して実現可能かどうかを検証することでした」と、BT研究所研究者でTB-Rumpf凝縮リーダーのゲオルク・ドル氏は言います。「11ミリメートル厚までの積層板で、気孔やその他の欠陥のない良好な結果を得ました。これは、微細構造断面と超音波検査によって検証されています。この成功の鍵は、最適化されたVCTセットアップ、調整された加熱サイクル、均質で一貫したプリプレグ品質です。」

スティフナー要素のOoA共凝縮

機体スキンパネルのオートクレーブフリー製造にVCTを使用することに加え、TB-Rumpfプロジェクトでは、ストリンガー補強要素をスキンと直接統合する共凝縮を、単一のVCTプロセスサイクルで開発することに成功しました。

曲面および二重曲面形状のAFP積層

レーザーAFPは、VCTの補完プロセスとして、プロセスと材料の限界（最大テープステアリングなど）を含め、約800 x 1,200ミリメートルの二重曲面積層板を製造することで調査されました。これらの製造試験の結果は、OoA凝縮の前進だけでなく、AFP中に二次操作なしで達成されるインシチュ凝縮の前進にも利用できます。

抵抗溶接

「構造機体要素を統合し、将来の熱可塑性機体コンセプトの生産を実現可能にするため、プロセス堅牢性の向上と強度値の最適化の観点から抵抗溶接を調査しました」と、BT研究所研究者でTB-Rumpf溶接リーダーのサイモン・バウアー氏は言います。「焦点は、カーボンファイバーを発熱体とした最適化された溶接要素セットアップと、改善された電気伝導性、および最適な溶接パラメータ（加熱サイクル、温度、圧力、電流、電圧）の組み合わせにありました。」抵抗溶接は、クリートをフレームとストリンガーの両方に取り付けるために使用され、フレームをスキンに取り付けるためにも使用されました。

次世代機体設計のための技術要素

「実証された技術成熟度により、OoA凝縮と抵抗溶接の両方が、将来の機体設計で重要な役割を果たせます」と、エアバスの対応プロジェクト責任者、ポール・ヨルン博士は強調します。

技術を産業応用にさらに近づけるため、今後さらなる困難な側面が調査される予定です。真空凝縮については、サイズスケーリングと二重曲面形状への移行に焦点を当てます。抵抗溶接については、公差面と自動化面が取り上げられます。

ここで示された成果は、TB-Rumpf研究プロジェクト（FKZ: 20W1721D）で達成され、ドイツ連邦経済・エネルギー省による連邦航空研究プログラムV-3の枠組みで資金提供されました。

詳細については、dlr.de/btをご覧ください。