STUNNINGプロジェクト、8.5メートル熱可塑性胴体スキンを達成、持続可能な航空機設計を前進

EUのクリーンスカイ2イニシアチブの一環として、航空宇宙産業は持続可能性への飛行経路を模索しており、特にアルミニウムから炭素繊維強化コンポジットへの移行を通じて航空機構造を改善し、排出量を大幅に削減しようとしています。クリーンスカイ2多機能胴体デモンストレーター（MFFD）は、2017年に開始されたこうしたプログラムの一つで、数十の個別プロジェクトと作業パッケージで構成されています（詳細は「多機能胴体デモンストレーター向けLM PAEK溶接の実証」参照）。特に、STUNNING（SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe）プロジェクトは、MFFDの下部胴体セクションを開発するもので、最近、自動ファイバー配置（AFP）により熱可塑性樹脂で作られた8.5メートル長の胴体スキンを製造しました（下記動画参照）。

STUNNINGはGKNフォッカー（オランダ・パペンドレヒト）が主導し、主要パートナーはディール・アビエーション（ドイツ・ラウプハイム）、オランダ航空宇宙センター（NLR、オランダ・アムステルダム）、デルフト工科大学（TUデルフト、オランダ・デルフト）です。本プロジェクトは、自動組立プロセス、熱可塑性製造と溶接技術、統合設計と製造開発、先進電気システムアーキテクチャのさらなる成熟を目指しています。

「おそらく欧州航空宇宙産業の半分がMFFDプロジェクトに関わっており、持続可能性を念頭にさまざまな製造技術を深く研究しています」とNLRのシニアR&Dコンポジットエンジニア、ヨアヒム・デ・クレイク氏は説明します。「さまざまな製造オプションと材料を研究する中で、より持続可能な胴体構造を達成する最良の方法は、新世代の熱可塑性材料を活用することだと考えています。この材料が製造アプローチと設計技術の変革を可能にし、従来のアルミニウム航空機と同等の強度と安全性を維持しながら、はるかに軽量な航空機を実現できると見ています。つまり、燃料消費減、CO₂とNO_x排出量の大幅削減につながります。」

エアバスA350 XWBやボeing 787ドリームライナーなど、多くの現代航空機がすでに熱硬化性コンポジット材料を部品、ブラケット、さらには胴体スキンの構築に使用していますとクリーンスカイは指摘します。しかし、STUNNINGプロジェクトでは、GKNフォッカーとNLRの専門家が、航空機用大型構造部品の高生産レートを可能にする製造向け設計を担当しました。

「熱可塑性樹脂の使用が提供する真の改善の一つは、製造と組立プロセスにおいて、熱硬化性樹脂とは異なり、この材料を複数回加熱・再加熱して均一性と接合を確保できることです」とデ・クレイク氏は説明します。「STUNNINGでは、さまざまなプロセスを組み合わせて構造・非構造コンポーネントの両方を完全統合して構築する方法を示すことが目標の一つでした。そのため、胴体の下半分全体を構築し、航空機スキンの製造可能性だけでなく、スキン下の補強材（ストリンガー）、床ビームなどの他の構造部材、キャビンパーツ、システム、カーゴドアに至るまでの洞察を得ようとしました。」

こうした高い目標を掲げ、協力者たちは胴体に統合される多数の部品と構造を構築するため、各自の製造技術をテストし始めました。NLRにとってこれは、最大の部品である胴体構造の下部、すなわち胴体スキンの知識と生産能力を、社内の最新鋭AFPマシンでテストすることを意味しました。NLRは目標を達成し、胴体下部スキンの下半分——単一ピースで、長さ8.5メートル、直径4メートル——を構築しました。これはこれまでに製造された最大の単一熱可塑性ピースと言われています。

これは決して小さな偉業ではありませんとクリーンスカイは述べます。熱硬化性樹脂のようなコンポジット材料が飛行機建設にますます使用される一方で、大型熱可塑性部品はこの分野では比較的新しく、表面上は少しコストがかかると言えます。しかしデ・クレイク氏によれば、それは表面的な話であり、メリットは価格を大きく上回ります。

「新しい材料でその特性により、熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂より少し高価です。しかし、新材料の使用を価値あるものにする差別化要因がいくつかあります。例えば、熱可塑性樹脂はマトリックス材料がタフで衝撃損傷耐性が優れているため、熱硬化性樹脂よりわずかに軽量です。これは重要です」とデ・クレイク氏は説明します。「それ以上に、材料を製造でどう使えるかという点です。熱可塑性樹脂のさまざまな部品やピースを接合するには、材料を加熱して溶接するだけで済みます。従来の飛行機を保持している数十万本のファスナーを排除できるため、間違いなく劇的な軽量化につながります。」

NCCが研究を任されているもう一つのトピックは、熱可塑性樹脂で構築された航空機の検査、メンテナンス、修理方法です。現在、航空機での大型コンポジット部品の使用はある程度制限されているため、検査、メンテナンス、修理可能性に関するデータと実践ははるかに少ないです。

「現在、航空機検査に使用するいくつかの非破壊検査[NDI]技術——サーモグラフィやシアログラフィなど——の技術開発に取り組んでいますが、これらの技術はまだ成熟途上です。現在は超音波検査で欠陥と問題をチェックしていますが、時間がかかるプロセスです」とデ・クレイク氏は示唆します。「しかし、従来航空機の現在の検査とメンテナンスも遅いです。熱可塑性樹脂は再加熱と溶接が可能な性質上、従来機よりはるかに高速なメンテナンスが可能だと見ています。構造全体のすべてのリベットを個別に手作業でチェックする必要がなくなることで、どれだけの時間が節約できるか想像してみてください。」

最終スキンのサイズが大きいため、2セグメントで製造されました。下部胴体スキンの第2セグメント（90度）の積層完了に伴い、次のステップは2つの90度セグメントを統合し、180度胴体スキンセグメントに接合することです。これには、オーバーサイズピースを収容・加熱して接合できる非常に大型のオートクレーブが必要とされます。オランダにそのようなオートクレーブがないため、2つの半分は統合のためドイツへ向かいます。プロセスは6月末に実施予定でした。

「6月にこの2ピースの胴体接合を前進できると想定すると、夏までに統合スキンがNLRに戻り、詳細なNDIプロセスを開始して成功を検証・確認し、完全な下部胴体スキンの品質を徹底的に確立できると期待しています」とデ・クレイク氏は説明します。「その後、STUNNINGプロジェクトで開発されたさまざまなパーツを完全に組み立て・統合するパートナーのGKNフォッカーへ出荷します。」

MFFDプロジェクトの完全な概要については、「多機能胴体デモンストレーター（MFFD）の前進」を参照。誘導溶接については、GKNフォッカーによるウェビナーをご覧ください。

このプロジェクトは、クリーンスカイ2共同事業体（JU）から、助成金協定番号945583の下で資金提供を受けています。JUは欧州連合のホライズン2020研究イノベーションプログラムと、連合以外のクリーンスカイ2 JUメンバーから支援を受けています。