ダウティ・プロペラーズ、DigiPropプロジェクトで持続可能なイノベーションを推進

コンポジットプロペラシステムのグローバルリーダーであり、GEアビエーション（米国オハイオ州シンシナティ）の一員であるダウティ・プロペラーズ（英国グロスター）は、同社史上最大のプロペラ研究開発プログラム「DigiProp」の成功裏の完了を発表しました。ダウティが主導した4年間、2000万ポンドの「デジタル推進」プログラムは、プロペラシステムの設計、製造、試験のあらゆる側面におけるイノベーションを目指しました。

試験手法を実運用環境により適切に表現するよう進化させることは、DigiPropプログラムの重点分野でした。写真提供：ダウティ・プロペラーズ

DigiPropは英国政府の資金援助を受け、英国の3つのハイバリュー・マニュファクチャリング・カタプルトセンターとの協力で実施されました：シェフィールド大学先進製造研究センター（AMRC、シェフィールド）、製造技術センター（MTC、コベントリー）、ナショナル・コンポジット・センター（NCC、ブリストル）。達成された進歩には以下が含まれます：

• 三軸ブレーディングを産業規模にスケールアップし、先進コンポジットの方向性特性を活かして性能と強度を発揮しつつ、軽量化のメリットを最大化してブレード全体重量の削減を実現。
• 熱可塑性コンポジットを開発し、リサイクル、廃棄物削減、金型再利用を可能にし、カーボンニュートラルへの取り組みを支援。
• ダウティ・プロペラーズの新工場開発時にデジタルツインを導入し、工場フットプリントの最適化だけでなく、製造ボトルネックの特定による製造時間とエネルギー消費の削減、初回歩留まり性能の向上、顧客への市場投入期間短縮を実現。
• 複雑なデータモデルを通じて、空力および音響性能の改善がダウティ・プロペラーズの顧客に提供可能になり、デジタル・スレッドの構築がビッグデータ活用の基盤を築きました。

 

AMRCによるフォーム熱成形、ブレーディング、超音波トリミング

「DigiPropプログラムを通じて、AMRCコンポジットセンターはコンポジット製造で可能なことの限界を押し広げることができました」とAMRCのコンポジットシミュレーション技術リーダー、マット・スミス博士は述べます。「フォーム熱成形では、このレベルの複雑さはAMRCでは初めての取り組みでした。ダウティ・プロペラーズは結果に強い関心を示し、感銘を受け、DigiProp終了後もこの作業を継続したいと考えています。」

AMRCのKSLロボットセルに超音波ナイフを装着。KukaSimを用いて工具の最適位置と最適切削パスを算出。写真提供：ダウティ・プロペラーズ、AMRC

「三軸ブレーディング能力の開発にも成功しました」とスミス氏は言います。「製造スケールアップの課題を克服しました。マンチェスター大学での小規模試験から始まり、シンプルなチューブ構造から、ダウティ・プロペラーズが指定する複雑な翼型形状に適合するブレーディングへと進展しました。」

AMRCコンポジットセンターチームは、成形前の材料スタックのステッチング実現性も実証しました。その後、ロボットアームに装着した超音波ナイフでサイズにトリミングします。「超音波トリミングは非常に成功しました」とスミス氏は言います。「この技術のメリットは、材料スタックを効率的に安定化でき、超音波切削プロセスが多軸切削要件に対応できることです。」

「開発したパラメトリック・プロペラシステムモデルにより、人間の頭脳では計算しきれないほど多くの変数を使用でき、数千年分の手計算を数週間で実行可能になります」とダウティ・プロペラーズのエンジニアリングリーダー、ジョナサン・チェストニー氏は説明します。「これにより、これまで以上に迅速な設計対応と高度な設計最適化を顧客に提供できます。」

AMRCは現在、フォーム熱成形と超音波トリミングにおける将来のプロジェクトを模索しています。

 

NCCによる混練カーボン/熱可塑性樹脂とブレーダー成形

DigiPropの一環として、NCCチームはブレード製造ワークフローを見直し、ブレード要件と幾何学的制約を入力して、新しいブレード構造の設計において可能な限りの柔軟性を生み出すさまざまな技術とプロセスを検討しました。

NCCはその後、ターボプロップ機用プロペラブレードの実物大プロトタイプと、ブレーダー成形と混練熱可塑性樹脂・カーボンファイバー強化材の三軸ブレーディングを組み合わせた新規製造プロセスを設計・製造しました。ブレーダーシステムでは、シリコーンでコーティングしたワックス金型をマンデルとしてオーバーブレーディングに使用します。

ブレードは耐久性が必要かつ表面欠陥があってはならないため、さまざまな材料組成をテストする必要がありました。ドライファイバープリフォームも、マンデル周りに積層される際に形状を保持し、たわみ、歪み、移動しない必要があります。これは、ファイバーの正しい位置決めと配向を確保し、ブレード設計意図と性能要件を満たすためです。

熱可塑性ブレードの製造プロセスでは、ブレーディング後に金型から容易に取り出せる剛性マンデルを開発する必要がありましたが、予備成形後も膨張可能なシリコーンブレーダーが残るようにし、硬化時の内圧による統合を可能にしました。シリコーンコーティングワックス金型が解決策となりましたが、ブレーダーの破損とコンポジットブレードの不完全な統合を防ぐため、シリコーンの厚みを最適化する必要がありました。

熱可塑性樹脂を使用することで、NCCは硬化サイクルを一般的な熱硬化性エポキシ樹脂の4時間から約5分に短縮しました。ある反復では、ブレード構造からフォームコアを除去し、重量減少と疲労寿命および衝撃耐性の両方の向上を確認しました。合計6本のプロトタイププロペラブレードが開発され、それぞれ設計と製造技術が構築・強化されました。

NCCは、DigiPropプロジェクトへの取り組みが、より幅広い用途を持つ中空3D構造のブレード設計におけるデジタル製造技術の開発というユニークな機会だったと報告しています。例として、小型電動航空機向けの経済的にリサイクル可能なコンポジット部品が挙げられます。この成果は、NCCがブリストル拠点のマウンテンバイクメーカー、スターリング・サイクルズと、熱可塑性コンポジットブレーディング技術のリーダーであるコンポジット・ブレーディングと提携した「ノベル・コンポジット・Eバイク」プロジェクトへとつながりました。

 

未来の技術を今導入

「これはダウティでこれまでに取り組んだ中で最大の研究プロジェクトであり、これ以上ないタイミングでした」とダウティ・プロペラーズ社長のヘンリー・ジョンストン氏は述べます。「持続可能なプラットフォームの加速がコロナ後に進む中、先進技術のスイートを手にし、良好なポジションにいます。」

「このプロジェクトは、設計と生産性を通じた推進性能とコストの革新をもたらし、プロペラのR&Dを変革しました」と航空宇宙技術研究所の先進システム・推進技術責任者、マーク・スカリー氏は述べます。「ハイバリュー・マニュファクチャリング・カタプルトパートナーの支援により、製造革新がグロスターの最新鋭ダウティ施設に導入されました。」

コンソーシアムによる製造能力の飛躍的向上は、コンポジット技術と産業デジタル化を活用し、生産コスト削減と将来推進システムの性能向上を図ることで、欧州の2000億ユーロ航空セクターにおける英国の航空宇宙プロペラ製造基盤の成長に新たな機会を開きます。

ダウティ・プロペラーズは現在、DigiPropで実現した技術を次世代航空機用途への展開と次世代プラットフォームへのターゲティングに活用し始めています。潜在的顧客は、同社の性能解析における短納期対応能力の恩恵を受けています。

ダウティは明確に、DigiPropはATIプログラムの支援と資金なしでは実現不可能だったと述べています。ATIプログラムは、英国政府と産業界の共同投資により、民間航空機設計・製造における英国の競争力維持・強化を図るものです。ATIプログラムは、航空宇宙技術研究所（ATI）、ビジネス・エネルギー・産業戦略省（BEIS）、イノベートUKのパートナーシップで実施され、技術、能力、サプライチェーンの課題に対処しています。