Airbus、Wing of Tomorrow向けOoA VBOリアスパーと熱可塑性リブを開発

Airbus（フランス、トゥールーズ）は、同社のWing of Tomorrow（WOT）プログラムのために、航空機複合材料製造業者と協力してアウト・オブ・オートクレーブ（OoA）構造体の開発を幅広く進めています。これらの構造体は2021年にAirbusに納入され、デモンストレーターウイングに組み立てられ、次世代単通路機への潜在的使用に向けて試験・評価されます。そのようなプログラムがいつ発表されるかは不明で、多くの憶測を呼んでいますが、航空機複合材料サプライチェーン全体が、AirbusまたはBoeing、または両方のための次世代航空機製造の一翼を担うべく、ポジショニングしています。

CWは、Spirit AeroSystems（米国カンザス州ウィチタ）が製造した下翼スキンや、GKN Aerospace（オランダ、フーフェフェン）が製造した熱可塑性リブについての記事で、このWOT活動の一部をすでに報じています。WOTへの参画者に加わったのは、航空機メーカーおよび航空機構造体プロバイダーのDaher（フランス、パリ）で、OoAリアスパーと5つの熱可塑性リブを開発・製造・納入しました。

「DaherはこのWOTプログラムに参加できることを誇りに思います。この開発は、Daherが熱可塑性技術と熱硬化性統合機能構造の両方で世界的リーダーの一角であり、航空機メーカーの強力なパートナー、複雑部品のTier 1であることを確認するものです」と、Daher R&D VPのドミニク・バイリー氏は述べています。

高性能スパー

WOTデモンストレーターは、あらゆる商用航空機の翼と同様、複数のスパー構造を持っています。DaherがWOT向けに開発したリアスパーは、燃料タンクの外側にあり、胴体に最も近い2本のスパーのうちの2番目で、ランディングギアのすぐ上に位置します。長さ2メートル以上、厚さ10ミリメートルで、胴体とランディングギアシステムへの近接性から、相当な強度と剛性要件を満たす必要があります。「フィーチャーにかかる数トン、スパン方向のせん断と引張で数十トン」とバイリー氏は言います。

また、アレクサンドル・コンデ氏（Daherチーフエンジニア、スパー担当）によると、Airbusは、航空機重量を削減し、月産60-100機セットの生産率をコスト効率よく満たせる高度に自動化された製造プロセスの開発を求めていました。Daherは、ベースライン複合スパー設計にあった15の金属部品とファスナーを置き換えられる設計を提案しました。「最も多くの機能を統合してコスト効率を高め、重量を削減することが狙いでした」とコンデ氏は言います。

その結果生まれたスパー構造は、2018年にDassault Aviation（フランス、パリ）ビジネスジェット向けにDaherが開発したOoA真空バッグオンリー（VBO）熱硬化性スパーの副産物です。バイリー氏によると、Dassaultスパーはヘキセル（米国コネチカット州スタンフォード）のM56エポキシ樹脂ベースプリプレグで製造され、OoA VBOで硬化されました。その後、DaherがAirbus WOTプログラムに関与するようになると、同社はDassaultスパーの設計、プロセス、妥当性を適応させ、新しいAirbus WOT構造に適用することを決定し、ヘキセルM56 350°F硬化OoAエポキシを選択し、ヘキセルAS4カーボンファイバー織布とIM7 UDカーボンファイバーにプリプレグしました。

スパー製造に使用された製造プロセスは、コリオリ・コンポジット（フランス、ケベン）システムを使用した自動ファイバープレイスメント（AFP）で、雄型に材料を積層します。硬化はオーブン内で真空バッグ下で実施されます。結果として得られる部品の気孔率は0.1%だとコンデ氏は述べています。

コンデ氏は、プリプレグが液体樹脂成形ではなく選ばれた理由について、プリプレグが過去30年間で航空宇宙製造の定番になったのと同じ理由だと述べています。一貫性があり信頼できる樹脂/繊維体積を提供し、一貫性があり信頼できる寸法と質量の部品製造を可能にするからです。「真空のみでこの新世代OoA樹脂を使用すると、硬化後の複合材料厚み方向の繊維含有量に完全な堅牢性が得られます」とコンデ氏は言います。「また、樹脂を繊維外に押し出さないため、部品重量が非常に安定します。」

Daherは、最初のWOTコンポーネントを納入した最初のパートナーだったとのことで、2020年後半にブリストル（英国）のAirbusへスパー1本を納入し、最初のWOTデモンストレーターへの統合用としました。現在、さらに2本を納入中です。このデモンストレーションフェーズを超えて、Daherはスパー製造の工業化も考えており、次世代単通路機のフルレート生産における操業、設備、機器、人員要件を推定・シミュレートする製造システム設計（MSD）分析に取り組んでいます。

複数のリブ、複数のサイズ

DaherでのWOTプログラム向けリブ開発は、より複雑で要求が厳しいものでした。同社は、翼内部に様々なサイズと寸法の5つのリブを設計しました。他のリブはアルミニウムと複合材料設計の組み合わせで、GKN Aerospaceが設計した熱可塑性複合リブも含まれます。

以前のDassault Aviationプロジェクトで、Daherは比較的小さなリブを熱可塑性複合材料で設計・製造する能力を実証していたとバイリー氏は説明します。WOTでは、より大型（約2メートル長）、より高荷重のリブ開発に向けてスキルを拡張する機会を得ました。

また、WOT目標に従い、Daherは2023年末までに技術成熟度レベル（TRL）6を目指しています。「WOTプログラム終了時、大きなリブでTRL 6を証明できれば、この2つのプログラム（WOTとDassault Aviation）で、翼のリブ部分全体をカバーできることを実証したことになります。それが狙いです」とバイリー氏は言います。

「このプログラムを利用して、部品製造のさまざまな方法を検討し、機械的挙動を比較し、製造への影響も調べました。並行して、スプリングバックやスタンピング効果などのコンポーネント挙動を予測するシミュレーションにも取り組んでいます。目的は、開発中の試作を減らし、非経常費を削減することです」とコンデ氏は述べています。

すべての5つのリブで、Daherは最終的に、Victrex（英国ランカシャー州クリーブリーズ）製樹脂を使用したToray Advanced Composites（米国カリフォルニア州モーガンヒル）供給の単方向（UD）カーボンファイバー/低融点ポリアリールエーテルケトン（PAEK）テープを使用することに決めました。リブ製造では、AFPでフラットブランクを作成し、オーブン凝縮します。場合によっては、スタンプ成形前に材料を予凝縮します。必要に応じて、追加のフランジや他のコンポーネントをスタンプ成形部品に機械的に締結します。

各リブは、翼に沿った位置、サイズ仕様、荷重要件（1トンから50トン）に応じて設計されたため、それぞれいくつかの点でユニークです。最大のリブは長さ2メートル x 幅1メートルです。無論、各リブはフラットウェブから始まり、部品底部の翼スキンとの接続部にフランジを作るために「L」形にスタンプ成形されます。さらなる安定性のため、いくつかのリブは2つの「L」形コンポーネントを背面合わせで機械的に締結し、「T」形にし、双方向フランジを形成しています。

専門的な機能として、フラップトラックとの接続用ブラケット（熱硬化性複合材料製造）、特定リブへの穴やプライドロップによる軽量化が含まれます。

「設計の全期間を通じて、複雑さとコストの管理が必要でした」とバイリー氏は言います。「常にシンプルだがコスト効率の良いものを目指しました。」シンプルさは生産率の観点からも鍵でしたとコンデ氏は指摘します。「複雑すぎると、顧客視点からは、彼らが望む非常に高い生産率で競争力がなくなります。」

設計に複雑さをもたらした課題の一つは、各リブの相対的な厚み（最大リブで12ミリメートルまで）でした。厚い生地はスタンプ成形時に皺になったり、不正確に形成されたりしやすく、厚い部品は仕上げ形状への機械加工が困難です。

機械加工には、部品ニーズに応じてウォータージェット切削と機械加工を組み合わせ、部品厚みの問題を緩和し、温度管理も行いました。さらに、12ミリ厚リブでは、部品中央にプライドロップウィンドウを設計し、全体重量を削減しました。コンデ氏によると、プライドロップウィンドウは、これらの潜在的問題を解決するだけでなく、「部品にさまざまな製造フィーチャーを試すことを可能にし、部品挙動の理解を深めました。」

スタンプ成形プロセスは、さらに大きな課題でした。「皺のリスクを軽減する新しいスタンピング方法を考案する必要がありました」とバイリー氏は言います。Daherは最終的に、この問題を解決する独自の方法を開発しました。

次のステップ

WOTを超えて、Daherは熱可塑性リブ製造の代替製造方法を評価しながら、将来の高速生産ライン開発の計画を進めています。

例えば、WOTデモンストレーターではファスナーを使用していますが、バイリー氏は、2019年の熱可塑性複合材料および誘導溶接専門企業KVE Composites（オランダ、ハーグ）買収により、Daherは将来的に溶接部品の能力を持つと指摘しています。「次世代単通路機向けのUD厚物溶接でより高いTRLレベルに達するため、別のプロジェクトに取り組んでいます」と述べています。

Daherはまた、将来的に熱可塑性リブを生産する完全な生産ラインの開発にも取り組んでいます。「すべてのタスクに必要な機械数を減らし、プロセスコストを削減するというコンセプトを本当に改善しています」とバイリー氏は言います。目標は、高量航空機生産目標に合わせることです。