フラウンホーファーIPT、熱可塑性CFRPエンジンファンブレード生産を自動化し効率向上を実現

航空機用材料には高い耐久性と可能な限りの軽量性が求められます。この両方を兼ね備える炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、航空エンジンのファンブレードにますます採用されるようになっています（参考：「ロールス・ロイス、世界最大のファンブレード製造を開始」）。しかし、これらのコンポーネントの製造は、オートクレーブで数時間の硬化が必要なため、非常に時間とコストがかかります。ドイツ・アーヘンのフラウンホーファー生産技術研究所（IPT）の研究チームは、CFRPファンブレードの生産をさらに自動化することを目指しています。

熱可塑性複合材料による柔軟なプロセスチェーン：自動テープ積層と熱成形

多くのCFRPコンポーネントの製造はすでに部分的に自動化されています。事前含浸されたセミフィニッシュドプリプレグ（通常は繊維強化エポキシ樹脂製）が薄い層で積層・配向され、構造に合わせた積層構造が作られます。その後、エネルギー・コスト・時間を要するオートクレーブプロセスで加圧・加熱硬化されます。フラウンホーファーIPTは、CFRPブレードの製造をさらに自動化し、よりコスト効率の良いものにする可能性を研究してきました。

しかし、これらの研究者はエポキシ樹脂ベースの材料ではなく、炭素繊維強化熱可塑性樹脂に着目しています。これらの材料は数十年にわたり飛行構造物に使用されており、優れた衝撃特性を備えた軽量構造特性を持ち、自動化された方法で迅速かつ柔軟に加工できます。熱可塑性であるため、硬化に化学的架橋を必要とせず、制御された冷却過程で加熱溶融と圧力による圧縮のみで硬化します。また、再加熱して再成形することも可能です。

したがって、熱可塑性複合材料は効率的な製造プロセスにより適していると、フラウンホーファーIPTの繊維複合材・レーザーシステム技術部門長であるヘニング・ヤンセン博士は説明します。彼のチームは、ファンブレード製造において、完全自動テープ積層と成形という2つのプロセスを初めて組み合わせることに成功しました。

柔軟なプロセスチェーン：自動テープ積層と熱成形

フラウンホーファーIPTが独自開発し、ライセンス供与している完全自動テープ積層システムにより、構造に必要な荷重方向に合わせて単方向（UD）強化熱可塑性テープを積層します。これにより、多層で高耐久性かつ柔軟なパネル、いわゆるオーガニックシートが作られます。研究者たちは、様々なセンサーを用いて完全自動プロセスのあらゆるステップを監視・記録します。これにより、生産中の「ブラックボックス」を覗き込み、各オーガニックシートの「デジタルシャドウ」を作成できます。この実オーガニックシートの仮想イメージにより、品質偏差を早期に特定し、適切な対策を講じることが可能になります。

完成したオーガニックシートは次の工程で加熱され、熱成形プロセスでニアネットシェイプに成形されます。これまでの試験シリーズでは、最初にPA12と炭素繊維で作られた厚さ16mmの布強化オーガニックシートでプロセスがテストされ、近くPEEKと炭素繊維テープ製のオーガニックシートへの適用が予定されています。

FRPコンポーネント切削加工の試験シリーズ

熱成形後、成形されたオーガニックシートのエッジがトリミングされ、最終形状に切削加工されます。FRPの切削は、材料構造が不均質であるため非常に困難です。また、炭素繊維はフライス工具の切れ刃に強い研磨作用を及ぼし、工具摩耗が激しく、加工品質が変動します。

工具寿命を延ばす一つの方法は、多結晶ダイヤモンド（PCD）コーティングされたフライス工具の使用です。CFRPブレードの小規模切削試行において、研究者たちはPCDコーティング工具の寿命が非コーティング工具よりも大幅に長いことを発見しました。さらに、個別に調整された切削戦略の設計が加工品質に良い影響を与えることも分かりました。

様々な産業用途への展開

熱可塑性CFRP材料での最初の成果は有望です。「ブレードの製造と仕上げという連結した製造プロセスが機能することを示せました」と、フラウンホーファーIPTのターボ機械ビジネスユニット責任者ダニエル・ハイネン氏は語ります。「ブレードの半径方向と前縁・後縁の間で、非常に良好な表面品質を達成できました。今後は個々のプロセスをより詳細に検証・最適化する必要があります。」

今後数ヶ月で、新プロセスをさらに最適化し、様々な産業用途で検証する研究プロジェクトが計画されています。アーヘンの科学者たちは特に、高性能熱可塑性樹脂PEEKをマトリックスとして使用することと、オーガニックシート内部へのセンサー技術の積層に関心を持っています。後者により、製造プロセスの監視だけでなく、エンジンでの使用中のコンポーネント状態監視も可能になります。このプロセスチェーンをスタベーターやナセル部品、航空宇宙以外のコンポーネントなど他の部品へ適用することも模索されています。フラウンホーファーIPTは、プロジェクトへの参加を希望する企業を歓迎しています。