Wing of Tomorrowリブ：次世代機向けワンショット・熱可塑性・OOA一体化

2015年開始のAirbus「Wing of Tomorrow（WOT）」プログラムは、過去6年間、単通路商業機翼のよりコスト競争力ある高スループット材料、製造、組立技術を探求してきました（CWのWOTプログラム過去報道参照）。

GKN Aerospaceグローバルテクノロジーセンター・ネザーランズ（フーフェフェン）ディレクターArnt Offringa氏によると、GKN Aerospace（英国ブリストル）はWOTプログラムで非常に活発に活動しており、樹脂移行成形（RTM）製翼桁デモンストレーターと4つのアルミニウム翼リブ開発を含みます。最近GKN Aerospaceが納入した別の技術デモンストレーターは、コスト競争力ある熱可塑性複合材リブと、それを製造する革新的モジュラープレスシステムによるワンショット・オートクレーブ外（OOA）製造です。

熱可塑性への飛躍

2018年、GKN AerospaceはWOTプログラム用5つのデモンストレーターリブ製造に使用できる材料と製造技術について社内議論を開始しました。

リブ設計。 薄型軽量部品実現のため、リブ設計（上）にGKNのバットジョイント技術（下）を組み込み、射出成形スタッフフィラー（中、緑色表示）を配置。

従来の商業機リブ材料であるアルミニウムは、より大型のインボードリブ4本に採用されましたが、より小型のアウトボードリブでは複合材オプションを探求することに。Offringa氏は、WOTデモンストレーターが複合材翼になるため、アルミニウムと競合できる複合材リブ開発は論理的ステップだと指摘します。

「複合材翼への複合材リブは複数の理由で有益です」と氏。「第一に、複合材同士なら材料間の熱膨張差がありません（金属リブ/複合材翼やその逆の場合とは異なり）。第二に、腐食問題や懸念がありません。複合材は軽量化も意味します。最後に、検査が容易になります。」

Offringa氏は、典型的な金属リブは最終翼組立後に目視人手検査が必要だと説明します。しかしリブは翼内部に位置するため、人間が翼内部に入って検査できるよう、底面ウィングスキンに大型楕円ハッチを切り開く必要がありました。「複合材リブならリブ疲労が少なく、検査対象の疲労クラックも減ります。検査が大幅にシンプルかつ非侵襲的になり、ウィングスキンにハッチを設ける必要がありません。連続ウィングスキンになります。」

重量削減、耐食性、低侵襲検査メリットは熱硬化性・熱可塑性どちらの複合材でも得られます。「社内研究で重量、コスト、産業化を比較検討し、異技術比較後、コスト面で最もポテンシャルとベストビジネスケースを持つ熱可塑性を選択しました」とOffringa氏。

Airbusのフィルトン（英国）翼技術センター（WOTデモンストレーター試験地）への近接性から、GKN Aerospace英国ブリストル支社が同社WOT作業のメインハブです。しかし、Fokker Technologies時代の熱可塑性専門性を持つGKN Aerospaceネザーランズの両チームがリブデモンストレーターで協力。「設計は英国で、製造開発はネザーランズで行い、GKN Aerospace内の異なるチーム間で非常に良い協力になりました」とOffringa氏。

Airbus WOT責任者Sue Partridge氏は、「パートナーとの協力はWing of Tomorrowプログラムの重要な側面です。リソースを結集することで、両組織の能力を活かしたソリューションを前進させ、より良い成果を得られます。」

WOTリブ用にGKN AerospaceはSolvay（ベルギー・ブリュッセル）APCカーボンファイバー/ポリエーテルケトンケトン（PEKK-FC）テープを使用。同社のNovaspire PEKK-FC（FC）高速結晶化配合ベースです。Offringa氏によると、Toray Advanced Composites（カリフォルニア州モーガンヒル）の低融点カーボンファイバー/ポリアリルエーテルケトン（PAEK）材料も将来リブ構造のオプションとして評価中です。

次世代翼リブの設計

典型的な単通路機翼には20本以上のリブがあります。熱可塑性複合材デモンストレーターリブはデモンストレーター翼の14番目；他は代替材料とプロセスをデモンストレートします。

熱可塑性複合材リブは小型機ではスタンプ成形で製造されることが多いとOffringa氏。しかし、商業機翼はナローボディでもWOTデモンストレーターでも非常に高い圧縮・引張荷重がかかるため、従来のスタンプ成形をWOTリブのオプションから除外しました。

「従来の意味で熱可塑性リブをスタンプ成形するなら、作用する力に耐えられるよう非常に厚いリブ、厚いウェブが必要になります」とOffringa氏。「これは重量削減要件の観点から好ましくありません。また、スタンプ成形ではリブ底面のダブルサイドボトムフランジコンポーネント（下翼スキン接続部）を作れず、追加部品を別途製造・ボルト締めする必要があります。GKN Aerospaceはチームが思い描く設計により柔軟に対応できる製造プロセスを必要としました。」

GKN Aerospaceの長さ90cm、高さ24cm熱可塑性リブは垂直ウェブと、リブ底部から延びる双方向8mm厚フランジを特徴とします。重量要件を満たすためウェブはわずか7mm厚。座屈防止と剛性向上のため、ウェブはGKN Aerospaceのバットジョイント技術による3mm厚補強要素で補強。フラットスタッフプリフォームと射出成形「フィラー」材料で強力な連続ジョイントを形成（この技術がGulfstream胴体パネルでSolvayカーボンファイバー/PEKK-FCテープで使用された例は「熱可塑性一次航空構造がさらに前進」参照）。

「この形状を複合材で堅牢に作れれば、求めていた重量削減を持つ非常に軽量な設計になると分かっていました。問題は、どうすればこのような複雑形状をコスト効率良く高レートで製造できるか。そこに努力を注ぎこの新製品を創り出しました」とOffringa氏。

ワンステップ、OOA製造

このプロセスは、GKN Aerospaceが以前TAPAS（Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure）プロジェクトと、バットジョイント技術を使用したGulfstream胴体パネル開発で使用した技術を基盤としています。WOTリブ用に、GKN AerospaceはOOAワンステップ一体化プロセスを開発しました。「初めてオートクレーブ外で次のレベルに進みました」とOffringa氏。

まず、単方向（UD）熱可塑性テープを正しい幅にスリットし、ラミネーターで平面エレメントを2つのL字型ウェブプリフォームに予成形。ウェブプリフォーム、フランジ用フラットプリフォーム、ストリンガーを構成する小プリフォームと射出成形フィラーエレメントをすべて工具に装填し、樹脂移行成形（RTM）プレスに類似したモジュラー共一体化プレス内に配置。プレスが閉じ、ブラダーシステムで水平・垂直両方向から圧力をかけ、オートクレーブ内圧力を模擬。統合抵抗加熱システムで複合材を一瞬溶融温度まで加熱後、冷却して一体化。

「開発努力の大半をツーリングの調整と最適化に注ぎました」とOffringa氏。システムはモジュラー設計で、工具を交換して異なる寸法のリブや他部品タイプに対応可能、同一加熱・冷却システムを維持。今回のリブでは不要だが、GKN Aerospaceがテクノロジーセンターで開発したプレスは最大6メートル長部品に対応可能で、他パネルやビームも含みます。

熱可塑性処理ではプロセス制御システムが鍵です。熱可塑性は熱硬化性より高温で溶融し、反りを最小限に抑え結晶化度を最大化するために制御された一貫した冷却プロセスが必要。「開始から終了まで正確なプロセス制御が非常に重要です」とOffringa氏。「加熱サイクルの熱管理が極めて重要です。」（熱可塑性（TP）成形課題については本記事サイドバー「Thermoplastic (TP) forming issues」参照）。

薄型一体化スタッフが工具から容易に離型できる特殊工具機能を採用。脱型部品はニアネットシェイプで、トリミング後に完成部品に。工具投入から取り出しまで全プロセス約45分。1プレスで8時間シフトあたり約15翼リブ製造可能。

「最終的にシンプルな製造プロセスになります」とOffringa氏。「異形状プリフォームの共一体化、リブ底面の双方向フランジ形成、バットジョイント技術によるウェブ補強を同時に行います。究極的には、材料の全エレメントを工具に配置し、1工程で1つの均質部品を創り出します。」

試験、納入、そして未来へ

試験。 サブコンポーネントはGKNのワイト島とフーフェフェン施設で引張・圧縮強度要件試験を実施。

2019年末、リブサブコンポーネントがGKN Aerospaceのワイト島とフーフェフェン施設で試験され、Offringa氏によると引張・圧縮荷重要件を「大きなマージンでパス」しました。氏は「強く、タフで、製造しやすい。我々が期待通りに実現したコンセプトです」と付け加えます。アルミニウム版と比較して、熱可塑性複合材版は大幅な重量削減とコスト競争力を提供するとOffringa氏。

同社は3本のリブをAirbusに納入、うち1本はWOTデモンストレーターで組立・試験予定。GKN Aerospaceは商業航空宇宙リブ向けにプロセスと材料の最適化を継続中、Wing of Tomorrowとその先のために。