多機能胴体デモンストレーター（MFFD）上半分の製造：先進製造の知見

このブログは、ドイツ航空宇宙センター（DLR、シュトゥットガルトとアウクスブルク）が昨秋のTUミュンヘンシンポジウムで行ったプレゼンテーションと、同時期に公開されたCWの要約記事「多機能胴体デモンストレーター（MFFD）を前進させる」のフォローアップです。プロジェクトは、ITHEC 2020の3日目の9:35にラース・ラーセン氏が行った「ロボットベース連続超音波溶接のプロセスデータ駆動型進化による将来胴体構造のダストフリー組立」でも説明されました。

ラーセン氏が説明するように、「最大の課題は、自動化によって製造コストを大幅に削減できることを示すことです。」MFFD上半分では、これにはオートクレーブを回避するための自動テープ積層/繊維配置（ATL/AFP）によるインサイチュ統合と、組立のためのダストレス/ダストフリー溶接が含まれます。「これにより、将来的にはコンポーネントと最終組立ラインの順序を変更できるはずです」とラーセン氏。「システムを組立前に統合できるようになるからです。」これは、ファスナー穴加工とは異なり、溶接ではチップやデブリが発生せず、分散電力システム、内装品などのプリインストール済みシステムを損傷させないためです。

このブログは、DLR構造・設計研究所（BT、シュトゥットガルト）のコンポーネント設計・製造技術部門長セバスチャン・ノヴォトニー氏と、DLR軽量生産技術センター（ZLP、アウクスブルク）の熱可塑性複合材生産技術リーダー兼MFFD上半分プロジェクトマネージャーのフレデリック・フィッシャー氏へのインタビューに基づいています。

注：上記画像の「グライド成形ストリンガー」は、Clean Sky 2でアップラス+ラボラトリーズ（スペイン、バルセロナ）が開発したプロセス（2017年ブログ参照）、「ホットプレスクリップ」はスタンピングを指します（関連記事参照）。

構造、キャビン、システムの統合

ノヴォトニー氏にMFFD上半分の歴史を尋ねました。「Clean Sky 2が始まったとき、最初の提案公募が出されました」と同氏。「2015年に開始し、ICASUSというプロジェクトの入札に勝ちました。これは大型旅客機（LPA）プログラムの共同パートナープロジェクトでした。主な焦点は多機能胴体の設計でした。当時はまだ熱可塑性コンポジットではありませんでした。主な目標は、胴体、キャビン、システム、構造を一つの設計プロセスに統合することでした。そこで行われた作業が、今や多機能胴体デモンストレーター（MFFD）となり、上半分プロジェクトでの我々の作業の技術的支援となっています。」

ICASUS

ICASUSプロジェクトは、次世代多機能機体、キャビンとシステムを統合した胴体のための多機能かつ高度に統合されたソリューションの開発を目指します。現在、単通路機の製造・組立プロセスは、コストと時間を要する逐次的ステップによって駆動されています。特に主要コンポーネント組立（MCA）と最終組立ライン（FAL）は、より速く加速されたプロセスを妨げるボトルネックです。このため、ICASUSは未来の単通路機の製造・組立の新しいコンセプトを開発し、以下を目標とします：

• 月産60機の高レート生産；
• 基準A321 ACF（「アドバンスト・キャビン・フレックス」）比で胴体経常コストを100万ユーロ削減；
• A321 ACF比で胴体重量を1メトリックトン削減。

アプローチは、もともと独立していたキャビン/カーゴ、システム、構造という分野を統合し、それぞれの機能と要件の最も有望な組み合わせと統合を達成することです。これは、先進材料の使用と革新的な設計原則の適用、次世代キャビンとの組み合わせにおける最先端システムアーキテクチャによって達成されます。

主なドライバーは、低重量システムとシステムアーキテクチャ/統合の適用による燃料消費の大幅削減です。これには多方面にわたる全体最適化手順、およびホリスティックなインダストリー4.0アプローチの開発と適用が必要です。自動化製造のための設計、自動化、センサー化、データ分析、安全なデータ交換が活用されます。MFFD製造の主要目的には、多機能複合構造のコスト効率の良い大量生産の検証と、熱可塑性CFRP継手（溶接など）の認証コンセプトへの貢献が含まれます。

胴体、キャビン、システム、構造をどう一つに統合するのか？「それぞれの分野と要件は残るが、主な目標は早期段階で協力するアプローチを取ることです」とノヴォトニー氏。「航空機胴体設計プロセスには厳格なルールがあり、制約を生み、完全に最適化された航空機設計を妨げてきました。構造、キャビン、システムを統合する最初のアイデアは、これら3側面を統合する設計プロセスを持ち、グローバルな最適解を見つけること、キャビンだけ、構造だけ、システムだけと順番に最適化するのではなく。もちろんルールが多く、認証も絡むため簡単ではありません。」

「継続的なプロセスで、デジタルプラットフォームが確立され、すべての欧州パートナーが単一のデジタル設計にインプットしています」とフィッシャー氏。「MFFDのためのこの統合設計を前進させることが過去数年間続いてきました。我々のチームは、キャビンとシステム取り付け用のプロビジョンを備えた上半分を納入します。ビジョンは、完全装備の主要コンポーネントを納入することで最終組立に革命をもたらすことです。」

DLRはすでにMFFDの設計プロジェクトの一員でしたが、製造プロジェクトの最終ゴーサインが出たのは2019年でした。上半分建造コンソーシアムは、エアバスが全体のMFFDプロジェクトリーダー、プレミアム・アエロテック（ドイツ、アウクスブルク）が工業・構造設計リーダー兼フレームサプライヤー、アエルノバ（スペイン、ビトリア・ガステイス）がストリンガー製造、DLRがスキン積層と溶接技術開発のリーダーです。過去1年間で、フィッシャー氏によると、「選択された技術で製造可能なよう、上半分設計を洗練させてきました。」

インサイチュ統合

MFFD下半分がATL/AFPに続きオートクレーブ統合で製造されるのに対し、上半分はATL/AFP中のインサイチュ統合を使用します。なぜか？「研究プロジェクトから最大の成果を得るため、ベースラインに挑戦し、下半分を補完する技術を活用する機会を捉えました」とフィッシャー氏。ノヴォトニー氏は、「リーン生産に焦点を当て、製造ステップを削減する非常に有望な製造方法であることを示しました。しかし、すべての目的に適した単一の製造方法はないことは明らかです。ケースバイケースで、各部品の最適な製造プロセスを決定する必要があります。」

2種類の溶接

上半分で2種類の溶接技術を採用したのも選択の一つです。「ストリンガーにはロボットベース連続超音波溶接を使用します。非常に長い継ぎ手、特にストリンガー構成に最適な技術と考えられるからです」とフィッシャー氏。胴体フレームの統合には抵抗溶接を選択。「これらの選択は、プロジェクト初期にプレミアム・アエロテックと共に行った集中的な分析の結果です。異なる溶接シナリオ、何をどこで接合するかを見ました。」

DLRが開発した連続超音波溶接は、標準的な産業用ロボットを使用します。溶接エンドエフェクタは、プリランローラー、直径25mmのソノトロード、フォローコンパクションユニットで構成されます。エンドエフェクタには複数のセンサーが搭載され、インラインプロセス監視が可能です。ロボットをマニピュレーターとして使用することで（動画参照）、曲面後部圧力隔壁やオメガストリンガーをスキンに溶接するなど、多様な形状を溶接できます。

「2つのプロセスには大きな違いがあります」とフィッシャー氏。「一つは連続プロセス、もう一つは非連続プロセスです。Zストリンガーの8メートルの長い継ぎ手には連続超音波溶接を選択。アクセシビリティと公差管理の観点から非常に複雑なユースケースであるフレーム取り付けフランジのスキンへの溶接には抵抗溶接を選択しました。抵抗溶接エレメントをフレーム形状に合わせてフィット・プレ装備し、クランプのような溶接ツールが空気圧で閉じ、溶接エレメントに接触して溶接プロセスをトリガーします。」

ノヴォトニー氏は、抵抗溶接が最も成熟度が高く高強度であり、フレームとクリート間の継ぎ手で見られる高荷重に適合することを指摘。このプロセスはフレームをスキンに溶接するだけでなく、クリートをフレームとストリンガーの両方に溶接すると付け加えました。

「2017年のJECで汎用部品でのクリップ統合を披露しました」とフィッシャー氏。ノヴォトニー氏は、「実際、2005-2008年にエアバス・ブレーメンのハイリフト部門とのHISYSプロジェクトで、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）熱可塑性樹脂による抵抗溶接を行い、リブをスキンに溶接するプロセス全体をTRL 5まで引き上げました。プロセスの基本はかなりよく理解されており、今はプロセスの適応、自動化、堅牢性に集中できます。」

「異なる溶接技術の重要なイネーブラーは、長い歴史があるにもかかわらず、業界での商業適用の準備ができていることを示すことです」とフィッシャー氏。「必要な自動化、プログラミング、品質保証を含めて。我々が見ている重要な課題の一つは、溶接が良好であることをどう知るかです。プロセスデータを用いて、溶接が長期的に性能を発揮することを示し、完成組立での後続NDTチェック（超音波検査など）や全体検査を要求しないようにしたい。このプロジェクトの主要目標の一つは、産業品質保証の開発です。」

LM PAEKへの転換

私のブログ「多機能胴体デモンストレーター向けLM PAEK溶接の実証」で説明したように、MFFDは炭素繊維/PEKK（ポリエーテルケトンケトン）で始まりましたが、2019年3月の10回目の提案公募（CFP10）で、ベースライン材料が炭素繊維/PAEK（ポリアリルエーテルケトン）に切り替わりました。PAEKは、PEEK、PEKK、LM PAEKが属するポリマーファミリー全体です。上半分チームはLM PAEKにどれくらいの経験があるか？「すでに多数の製造試験で使用しています」とフィッシャー氏。「超音波溶接と抵抗溶接の両方で材料性能はかなり有望です。まだ開発中の材料であり、全欧州パートナーと材料サプライヤー間で、教訓の共有と加工ガイドライン開発のための共通交換プロセスが構築されています。」

「しかし」とノヴォトニー氏は付け加えます。「何年も前はサイテックAPC-2しかなく、他に選択肢がありませんでした。特に欧州では、材料が手に入ることもあれば『いいえ、すみません』と言われることもありました。今では複数の材料サプライヤーが積極的に材料開発に取り組み、様々なプロセスにも対応しています。例えば、ビクトレックスは2020年TUミュンヘンシンポジウムで示されたように、付加製造向け最適化を進めています。AFPインサイチュ統合向け最適化、オートクレーブを用いた二次統合、様々なオートクレーブフリー（OOA）製造プロセス向けの取り組みもあります。今では 훨씬 多くのことが進行中で、各プロセスに適した良い材料を得るチャンスが増えています。」

タイムラインと次のステップ

「中間デモンストレーター（A320径、2フレームベイ、幅950mm）の設計製造プロセスを基本的に完了し、来年（2021年）初めにその小型ハーフシェルを製作します」とフィッシャー氏。「それとは別に、フルスケール上半分シェル用の工具調達を開始し、2022年にフルサイズ上半分をオンタイムで生産できるよう技術を立ち上げています。」

何が必要か？一つは組立公差です。「左右両側の上下胴体ハーフの縦継ぎ手は以前から設計されており、そこから特定の要件があります。我々の生産公差がそれらの要件を満たすことを保証する必要があります。」

「上半分で目指している基本的なストーリーは、熱可塑性コンポジット生産の最も効率的なルートを実証し、将来の航空機でアルミニウムと競争できる道を開くことです」とフィッシャー氏。DLRはすでに、プレミアム・アエロテックと開発した溶接熱可塑性後部圧力隔壁（2018年、2019年披露）でこれを示しています（「熱可塑性コンポジット溶接の新たな地平」も参照）。溶接とリーン生産は熱可塑性の鍵となるイネーブラーです。そして今、これらの技術をラボから産業界へ出さなければなりません。産業界がこれらの溶接技術を本当に使えると信じるためには、それらが自動化可能で、予測可能で、実生産タスクでの信頼性のために制御可能であることを示さなければなりません。それが我々がやっていることです。」