多層熱可塑性テープ、AFP、樹脂インフュージョンでコンポジット生産を民主化

ノボテック（イタリア、ナポリ）は、ナポリ大学「フェデリコ2世」からのスピンオフとして、レオナルド・レッチェ教授によって1992年にイタリア南部で設立されました。「一般航空企業を支援し、イタリア全土でR&Dサービスを提供してきました」と、現在ノボテックCEOを務めるレッチェ氏。「航空機部品の構造解析や航空機開発の支援も行ってきました。」

ボーイング787用コンポジット胴体セクションを製造するレオナルド工場に近接しており、ノボテックは2014年からコンポジットに注力し始めました。コリオリス・コンポジッツ（フランス、ケベン）から自動繊維配置（AFP）セルを購入し、オートクレーブフリー（OOA）プロセスを開発しました。これには樹脂インフュージョンと熱可塑性コンポジット製造が含まれ、AFPを用いたインサイチュ統合に特殊な専門性を持っています。

ノボテックは多数の産業研究プロジェクトに参加しています：

• MESEMA（さらなる電動航空機向け磁気弾性エネルギーシステム）
• SARISTU（スマート・インテリジェント航空機構造）
• ASAM（航空機メカニズムの先進シミュレーション）
• LAMITECH（ハイブリッド複合材料自動積層の革新的試験手法）
• PROALATECH（革新的CFRP尾翼の構造特性評価と修理ソリューション分析）
• FACE（フレンドリー航空機キャビン環境）
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2（次世代リージョナル航空機向け革新的翼コンセプトと手法の開発）
• SISTER CHECK（AFP非破壊検査のための革新的システムの調査と統合）
• TRINITI - CLEAN SKY 2（航空機用マルチマテリアル熱可塑性高圧窒素タンク）
• NHYTE - H2020（OOAによる新ハイブリッド熱可塑性複合材航空機構造体）

「英国のサイテックとも特別な関係があり、新しい複合材料とプロセスを開発してきました」とレッチェ氏。サイテックはソルベイに買収され、参照されている場所は英国ヒアノーのソルベイ・コンポジット・マテリアルズです——最近RAPMプログラムでテストされた二重ダイヤフラム成形プロセスなど、長いイノベーションの歴史を持つサイトです。「最後のそうした活動は、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）とPEI（ポリエーテルイミド）を新しい複合材料に組み合わせる革新的なプレスを使用したOOA熱可塑性プロセスの開発でした。」この新材料、装置、プロセスは、NHYTEプロジェクトでAFPインサイチュ統合と溶接を用いて製造された炭素繊維強化プラスチック（CFRP）航空機ストリンガーで実証済みです。

NHYTE

欧州委員会ホライズン2020プログラムによって資金提供されたNHYTEは、2017年5月から2020年10月まで実施された研究プロジェクトです。「NHYTEは、熱可塑性コンポジット（TPC）の持続可能な温度とプロセス条件を可能にするアモルファス接合を使用することについてです」と、NHYTEプロジェクトコーディネーター兼ノボテックCTOのマルコ・バリーレ博士は説明します。このアモルファス接合（下図参照）は、NHYTEパートナーの一つであるレオナルドの航空機構造部門（イタリア、ローマ）によって特許取得されたコンセプトです。同部門はイタリア南部に複数の生産施設を持っています。

「NHYTEで開発された材料により、AFPインサイチュ統合（ISC）における熱可塑性コンポジットの現在の材料制限を克服できます。半結晶性PEEKポリマーで400℃近くの温度で処理する代わりに、アモルファスPEI層のガラス転移温度（Tg）215℃少し上で加熱できます。PEIの溶融と冷却も、PEEKほど制御する必要がなく、より速いです。」とバリーレ氏。このコンセプトは他のアモルファス熱可塑性材料も使用可能ですが、PEIはPEEKとよく接着し、複数のAFP航空機構造デモンストレーターで実証済みであるため選ばれました。

NHYTEで開発されたこの新材料は、ノボテックが設計した連続プレスで製造されました。オルマ・マッキーネ（イタリア、ベルガモ）がプレス本体を、コメック・イノベイティブ（イタリア、キエーティ）が巻き取り/繰り出しモジュールを供給しました。「このプレスで材料の連続ロールを作り、それをスリットテープにしてAFPマシンで使用できます」とバリーレ氏。上記画像のように左から3種類の材料がプレスに入ります。「トップとボトムにPEI、中間にPEIがあります」とバリーレ氏は説明します。

半結晶性ポリマーとしてPEEKは一次構造に必要な高い機械的特性を提供し、アモルファスPEI層が迅速でシンプルな溶融による接合を提供します。「プレスプレートに沿って材料の圧力と冷却を制御し、プレス開始部で約400℃から終了部で200℃未満まで下げます。結果は3つの入力層の組み合わせである一つの材料です。」

この新しい種類の熱可塑性テープは製造時にすでに統合されているため、AFPではPEI層を溶融・圧縮してアモルファス接合するための加熱のみが必要です。結果は、レオナルド特許に示されるように、完全に統合されたPEEK-PEIテープとPEI-PEI層で構成されるラミネートになります。このAFPプロセスは、現在市販されている航空宇宙グレード材料を使用したPEEKおよびPEKK（ポリエーテルエーテルケトン）テープによるAFP ISCと比較して、ハードルが少なくなります。私の2018年インサイチュ統合特集パート2で説明したように、現在のAFP ISCではテープと基材を融点まで加熱し、テープを基材上に配置し、ローラーで統合して冷却プロセスを精密に制御し、半結晶性ポリマーが構造特性のために十分な高結晶度（30-40%）と低ボイド（<3-5%）を達成できるようにする必要があります。

AFP ISCの批評家は、遅すぎると主張します——積層レート60-100mm/s対「2ステップ」法（高速AFP積層に続き、オーブンやオートクレーブでラミネートを完全統合/アニールする二次ステップ）の600-700mm/s。「我々の材料では、典型的なインサイチュ統合ほど遅くないAFP積層レートを達成でき、AFP中の加熱も300℃以下に抑えられます」とバリーレ氏。「現在の標準材料との性能ギャップを埋められます。」ここでは、熱可塑性コンポジットのAFP ISCを、ボーイング787とエアバスA350航空機で使用される熱硬化性コンポジットと比較しています。「フューゼラージセクションのような大型コンポーネントでは、オートクレーブ硬化を使用するとコスト面で問題があります。熱可塑性はより手頃な生産プロセスを可能にしますが、現在市販されている航空宇宙グレード材料では高温と低速AFPレートが課題です。我々のアプローチはこれらの問題を解決します。連続プレスでテープに約30%の結晶度を持たせられます。したがって、その結晶度を部品に持たせ、AFPではアモルファス層のみを扱います。これはまだ実験的材料で改善の余地がありますが、NHYTEプロジェクトの目的は、構造航空宇宙用途で使用できるワンステップ製造プロセスを持つことです。」

テープとAFPの最適化

「最初の多層テープ材料はここでノボテックで作られました」とバリーレ氏。これらのテープには、サビック（サウジアラビア、リヤド）のウルテム1000無充填スリットフィルム（PEI用）と、ソルベイのAPC-2/AS4炭素繊維強化PEEKテープが使用されました。総厚は約0.26mmで、PEI層は1または2ミル（0.001または0.002インチ）厚でした。プロジェクト第1フェーズでは、両バリエーションの複数クーポンが層間せん断強度（ILSS）で試験され、ハイブリッド熱可塑性材料製造プロセスが検証されました。小型クーポンはNHYTEパートナーのアップラス・ラボラトリーズ（スペイン、バルセロナ）によって、引張・圧縮強度と弾性率、開孔圧縮（OHC）、充填孔引張、衝撃後圧縮（CAI）、かろうじて見える衝撃損傷（BVID）、流体調整後特性を含む全機械的特性範囲で試験されました。

「我々は熱可塑性コンポジットテープサプライヤーと同じ経験がないため、材料品質は改善可能です。例えば、繊維体積率が厚み方向に低から高へ変化し、テープとラミネートの特性（ILSSを含む）に影響します。しかしNHYTEはコンセプト実証を目的としており、それは達成しました。」

上記画像のように、新材料向けAFPプロセスの最適化には大幅な実験作業が必要でした。「実験計画法（DOE）アプローチでAFPパラメータを最適化し、NHYTEパートナーの南ブルターニュ大学（USB、フランス、ロリアン）が開発したツールで、予測数値シミュレーションによるレーザー加熱負荷の改善を行いました」とバリーレ氏。

このシミュレーションは最初、予測ツールの品質を検証するためにAPC-2テープで使用され、その後新しい多層材料に適用されました。この作業に関する論文がジャーナル「Composite Structures」に投稿されました。「ニップポイントでの熱伝導率をモデリングしています」とバリーレ氏。「数値シミュレーションで予測されたことを実験的に検証します。これは、積層速度、ポリマー溶融流動、複合材ラミナのエージング（過熱）の間の最良の妥協点を決定するために必要です。インサイチュ統合プロセス中のいくつかの変数のバランスです。着層テープ上に配置される着層テープの温度低下を見ます。この温度変化を管理できれば、ラミネートの残留応力を低減できます。だから積層中の温度変動を評価しました。パスの形状とラミナの配向に応じて加熱をカスタマイズしなければなりません。」

ストリンガーと胴体デモンストレーター

次のステップはストリンガーデモンストレーターの製造でした。まず定置プレスで小規模サンプルを作り、次に連続ストリンガー成形プロセスのデモンストレーターとして、産業部品生産に必要なものを検証しました。これらのストリンガーは、R&D機関CETMA（イタリア、ブリンディジ）が開発した誘導溶接で、AFP胴体スキンパネルデモンストレーターに取り付けられました。

新しい多層材料は誘導溶接に何か利点を提供しましたか？「基本的に同じように処理されました」とバリーレ氏。「しかし、新材料は標準テープより炭素繊維量が少ないため、CETMAが溶接プロセスパラメータを定義するのは容易ではありませんでした。」ストリンガーデモンストレーターと最終胴体パネルデモンストレーターはアップラスによって試験されました。NHYTEプロジェクトパートナーのバース大学（英国、バース）とレオナルド航空機もNDIでパネルとストリンガーの品質を評価しました。

「多くのクーポンと小型部品、大型デモンストレーターを作りました」とバリーレ氏。「アップラスの試験結果は、現在標準となっているものと比較して製造プロセスの低コストを考慮すると非常に良好です。標準的な熱可塑性テープ材料比で強度と剛性特性が20-25%低いですが、プロセス改善でこれを改善できることが特定されています。」

NHYTEは2020年10月30日に終了しました。「考えているすべての改善を含む新プロジェクトで継続したいと考えています」とバリーレ氏。「材料の作り方、AFPインサイチュ統合、連続成形、誘導溶接での処理方法を実証しました。今後は産業化に向けてさらなる最適化が必要です。」ノボテックは、新しいパートナーで豊富にした同じコンソーシアムで継続することを求めています。

注目すべきは、レオナルドも誘導溶接と急速加熱冷却可能なTPCテープを用いてAFPインサイチュ統合の改善に取り組んでいることです。さらに、IMDEA材料研究所（スペイン、マドリード）とFIDAMC（スペイン、マドリード）の研究者たちによって、PEI/PEEK多層コンポジットについて励みになる結果が最近発表されました。後者は長年にわたりAFPインサイチュ統合のリーダーです。より技術的な論文についてはNHYTEの出版物を参照してください。

SWINGプロジェクト

新一般航空向けスマートウィング（SWING）は、ピアッジョ・エアロスペース（イタリア、ヴィッラノーバ・ダルベンガ）の後押しで始まり、イタリア経済開発省（MISE）の共同資金援助を受けたプロジェクトです。ノボテックのほか、イタリアのプロジェクトコンソーシアムは、コーディネーターのプロトム（ナポリ）、ラエール・エアロノーティカル・マニュファクチャリング（アイロラ）、A.アベテ・エアロストラクチャーズ（ノラ）、航空宇宙設計スペシャリストのイタルシステム（アヴェリーノ）で構成されます。SWINGの目標の一つは、ピアッジョの「P.180 アヴァンティ」前進翼をデモンストレーションプラットフォームとして、自動化されたオートクレーブフリー（OOA）コンポジットプロセス——AFPと液体樹脂インフュージョン（LRI）を含む——を、より小型航空機のコスト効率の良い持続可能な生産に適応させることです。

「P.180の前進翼を、統合ストリンガーとスパーを持つ上部パネルと下部パネルのわずか2つの主要パーツで製造するのがアイデアです」とレッチェ氏。

「我々にとってこれは、英国ソルベイの認定ラボとしての作業から始まりました。2015年以来、AFP、LRI、熱可塑性コンポジットの新材料とプロセスで協力してきました。ソルベイのPRISM TX1100ドライファイバーテープをAFP用に使用し、ドライプリフォームを作っていました。これらのプリフォームはソルベイPRISM EP 2400タフンドエポキシ樹脂でインフュージョンされ、オーブンで硬化させました。この作業はAIRGREEN 2プロジェクト、クリーンスカイ2グリーンリージョナル航空機プログラムの枠組みで行われ、その後SWINGプロジェクトで前進しました。」PRISM TX1100とPRISM EP 2400は、ユナイテッド・エアクラフト・コーポレーションによって、商業航空機初の樹脂インフュージョン翼——アエロコンポジット製イルクートMS-21単通路ジェットライナー——の生産で認定されました。

成形された上部と下部パネルは構造用接着剤で接合され、来年静的試験されます。「並行して、TX1100ドライテープとコベストロ（ドイツ、レバークーゼン）の樹脂ブレンドベースの別のコンポジットを特性評価しています。これは特により高い生産レートを必要とするセクターで、航空宇宙グレード樹脂の有効な代替になり得ます」とバリーレ氏。「この樹脂はそれらのシステムほど高性能ではありませんが、インフュージョンでよく働き、翼箱の要件を満たします。コストを下げたいなら何らかの妥協が必要です。この開発がAFP技術を一般航空に導入することに貢献することを願っています。自動車セクターでも使用可能かもしれません。」

TRINITI

ノボテックは、クリーンスカイ2プロジェクトTRINITI——航空機用マルチマテリアル熱可塑性高圧窒素タンク——でも作業しており、2019年に開始し2021年に終了予定です。ノボテックのこのプロジェクトへの参画は、再びイタリア航空宇宙企業との開発から発展しました。「AFPで多層テープを使用した極低温燃料タンク（打ち上げ機用）の製造における潜在力を、現在使用されているフィラメントワインディングプロセスと比較検証していました」とバリーレ氏。「本質的に、TRINITIはNHYTEと類似の多層材料コンセプトを開発し、AFPインサイチュ統合でタンクを製造します。」

「FWに対するAFPの利点は、材料を配置したい場所を決定できることです。フィラメントが部品に連続的に巻き付けられることによる制約を受けません。エンドキャップに大量の材料が必要になるタンクを考えてください。フィラメントワインディングでは材料を切断できません。AFPでは希望する場所でファイバー/テープを切断・再開できるため、材料を必要な場所にのみ使用できます。thus、テープ間のギャップを管理でき、ガス透過防止に重要です。フィラメントワインディングでこれを行うには、スリットテープではなくトウプレグを使用するため、材料付加量を増やす必要があります。さらにインサイチュ統合ではオートクレーブが不要です。AFPが実行可能な代替手段であり、非常に手頃であることを実証しました。」

「現在、CETMAが多層材料のガス透過試験を実施し、仕様に対する性能を評価しています」とバリーレ氏。要件はトピックマネージャーのディール・アビエーション（ドイツ、ギルヒングとドレスデン）によって提供され、航空機消火システムで使用される高圧長期貯蔵窒素タンク向けです。これらのタンクは、地上で-55℃〜85℃、飛行中-40℃〜70℃、最大1,000バールの圧力に耐えなければなりません。

「目標は重量と製造ステップの削減です」と同氏。「しかし、この方法での製造コストを定義する必要があります。不要な材料を配置しないことで重量は節約されますが、フィラメントワインディングはAFPより高速プロセスです。」もう一つの要因は、このタイプのタンクは通常金属またはプラスチックライナーを持ち、CFRPでオーバーラップされることです。バリーレ氏によると、TRINITIはライナーレス（タイプV）タンクを目指しています。「低ボイドAFPラミネートでガス透過を防ぎます。現在、材料とプロセスの様々な組み合わせでCETMAで試験中で、ダウンセレクト準備を進めています。その後プロトタイプタンクを建造しますが、タンク設計はダウンセレクトされた材料と最終プロセスに依存します。これが現在取り組んでいることです。試験活動はCTLコンポジッツ（アイルランド、ゴールウェイ）が実施します。」

SEAGULL

挑戦的なプロジェクトSEAGULLは3年前に開始されました。「新しいコンポジット製造技術、ハイブリッド電気推進、自動折りたたみ翼（開発・特許取得済み）を組み込んだ新世代小型水上機を開発することが目標です」とレッチェ氏。「短距離離着陸（STOL）航空機で、垂直離着陸（VTOL）航空機と競争可能だが、より手頃な価格を提供することを意図しています。これは任意の表面から運用可能なパーソナル航空機となり、将来の航空とモビリティにとって重要な可能性になると信じています。」

SEAGULLチームはハイブリッド推進システムをテストし、初の水上プロトタイプを建造し、10月に水上試験を開始しました。「このテスト完了後、さらに数ヶ月以内に飛行プロトタイプを建造します」とレッチェ氏。「これは一般航空で50年以上の経験を持つ重要な企業で構成される非常に経験豊富なチームです。」

SEAGULL飛行プロトタイプはコンポジット胴体、尾翼、翼を備えます。「再びAFPと樹脂インフュージョンを用いた自動製造の適用を推進します」とバリーレ氏。「これらのプロセスを用いたコンポジットの主な問題の一つは材料コストです。確かに、我々が目指しているのは、コスト面でもより民主的な材料とプロセスの組み合わせを見つけることです。」