ハイブリッド大型積層造形ツーリング：大型部品向け軽量・高速・コスト効率に優れた金型

30年以上にわたり、商業航空は複合材料をますます採用してきました。実際、現在の主要商用機のいくつかでは、重要構造部品の半分以上が複合材です。これらの材料の使用が量と部品サイズの両面で拡大するにつれ、ツール、特に安価なツールをより迅速にプロトタイピングと製造するために構築することがますます困難になっています。例えば、エアバスSE（オランダ・ライデン）のA350 XWBの主翼はそれぞれ長さ32メートル、幅6メートルで、これまで製造された最大級の複合材航空構造物の一部です。

「市場には今、ツーリング進化に大きなステップをもたらすブレークスルー製造技術があり、私たちが複合材航空機部品開発で直面する課題に対応できると期待しています」と、エアバス・イレスカス工場（スペイン）の複合材製造エンジニア、M.ピラール・ムニョス・ロペス氏。「これらの技術、能力、限界を調査し、将来に備えることが極めて重要です。」

ツーリングが航空機構造部品の総プログラムコストの相当部分を占め、部品サイズが増大していることを考慮すると、より低コスト・短納期の新しいツーリングオプションが必要です。エアバス、ノースロップ・グラマン・アエロノーティクス・システムズ（米国ユタ州クリアフィールド）、デイトン大学研究所（UDRI、オハイオ州デイトン）による、プロトタイプおよび少量生産航空機構造部品向けハイブリッド大型積層造形（LFAM）ツーリングに関する興味深い研究が最近完了し、前向きな結果が得られました。

熱膨張問題の克服

大半の炭素繊維強化プラスチック（CFRP）航空機構造はエポキシマトリックスプリプレグから製造されます。このような部品を成形するには、ツーリングがオーブンまたはオートクレーブ硬化温度（最大180℃/356°F）に耐えなければなりません。また、CFRPの線膨張係数（CLTEまたはCTE）が非常に低いため、室温と高温の両方でツールと成形材料のCLTEをできるだけ近く一致させることが重要です。これにより、金型が寸法を維持し、結果として得られる部品も寸法要件を満たします。最終構造物に歪みや応力が生じないよう、部品材料より速く冷却するツール材料の使用も避ける必要があります。その結果、大型CFRP航空機構造の成形に最も一般的に使用されるツールは、CFRP自体か、ニッケルと鉄の鉄系合金で低CLTEで知られるインバーのいずれかです。両方とも高コストで、納期が長くなる可能性があります。さらにインバーは機械加工が困難で時間がかかり、輸送も重いです。鋼やアルミニウムツールならコスト削減できますが、比較的高いCLTE値が多くの用途、特に大型または長尺部品の成形での使用を制限します。

多くの官民研究が、熱可塑性材料でプリントされた積層造形ツールを評価し、熱硬化性ラミネート複合材の製造において、コスト削減と納期短縮の潜在的メリットがあると結論付けています。残念ながら、ポリマーベースLFAMツーリングには、硬化温度/圧力で著しい真空損失を招くツール多孔性などの問題があります。解決には追加のツール充填リワークと表面コーティングが必要です。さらに大きな課題は、押出/プリント時の面内フィラー配向による高度に異方性なCLTE値で、Z軸方向の膨張/収縮差がX/Yプリント軸の5〜10倍になることです。これにより、寸法精度の高い部品を繰り返し再現性よく得ることが困難になります――特に部品が大型、高アスペクト比、複雑な表面を持つ場合。

「積層造形ツーリングに関心のある皆が、多孔性と制御不能な熱膨張という同じ問題に直面し、効果的な解決策がほとんどありません」と、UDRIチームリーダーのスコット・ヒュエルスカンプ氏（先進製造プロセス開発、構造材料部門）。「AMツールを使いたい人はたくさんいますが、これらの問題が解決されるのを待っています。」

AMのツーリングコストと納期削減の可能性を考慮し、業界は新しいプリント可能材料、プリンタハードウェア改良、革新的モデリングアプローチの探求により、膨張問題解決に多大な努力を注いできました。例えば、一部グループはAMツール設計用の「補正値」を開発し、CLTE差に対処してきました。しかしヒュエルスカンプ氏は、どの補正値を使うかの決定が困難でエラーを招きやすいと指摘。また、こうしたアプローチはメス型ツールでは無効で、ダイロック状態を生む長さ方向のトラッピング機能を持つツールでは、熱サイクル時に部品を損傷させる可能性があります。

「そんな問題を補正係数で解決することはできません」と氏。「これまで、高温での低等方性CTE値の必要性を完全に解決したAMツーリング研究はありません。この特性なしでは、ツールサイズと形状は常に制限され、大型ツールは硬化温度でより大きな寸法誤差を被ります。」

LFAMツーリング課題解決の新アプローチを試みるため、先進複合材製造イノベーション研究所（IACMI、テネシー州ノックスビル）の後援と、米国エネルギー省とJobsOhio（オハイオ州コロンバス）の支援の下、複数の会員企業による18ヶ月プロジェクトが実施されました。チームはUDRIが率い、エアバスとノースロップ・グラマンが参加。これら組織は以前、IACMI内外で他の研究でも協力しており、互いの能力を熟知していました。

「力づく」アプローチ

UDRIはAMツーリング研究でかなりの経験を持ち、アメリカ・メイクス（オハイオ州ヤングスタウン、米国AMコンソーシアム）の活発なメンバーです。また、米国空軍向けに金属バッキング付きAM構造の研究を行い、シンシナティ社（オハイオ州ハリソン、大型積層造形（BAAM）プリンタ製造）と純AMツーリングで協力してきました。

「カスタムコンパウンダーと3Dプリンタ用新フィードストックにも取り組んできましたが、あまり前進せず、他も私たち以上の成功を収めていないと気づきました」とヒュエルスカンプ氏は振り返ります。「AM材料の振る舞いを変えたり、その振る舞いを直接予測できないなら、間接的に私たちの望むように振る舞わせられないか？」という発想でした。ヒュエルスカンプ氏が「力づく」アプローチと呼ぶ発想で、UDRIはハイブリッドLFAM研究を提案。従来のCFRPフェイススキンを熱可塑性複合材AMコアに適用し、航空機構造ツーリングを製造するものです。

プロジェクト目標はシンプル：航空機構造用大型ツールをより低コスト・短時間で製造する方法を見つけること。コスト50%削減、プロトタイプまたは少量生産部品として少なくとも10個の合格部品を後続試験用に生産することを目指しました。

チームは、エアバスのツールデータを使用して、汎用翼桁断面の片面ツーリング製造にサンドイッチ構造を採用。フルサイズC桁の一部分のみのツーリング製造としたのは、UDRI施設のスペース制約のためで、それ以外の主要設計変更はありませんでした。

重要な部品形状がハードツール表面で形成されるよう、メス型ツールを設計。この桁キャップツールはわずかな内向き角度を持ち、ネガティブドラフトとダイロック状態を生む単体ツールでした。このため、研究者たちは設計を分割ツールに変更し、ガスケット/コードストックでシールしました。リスク軽減のため、まず0.6メートル/2.0フィートのサブスケールツールでコンセプト実証。ツール開発プロセスとそのツールで製造したプロトタイプ部品が試験され、機能することが確認されると、より大きな3.3メートル/11フィート長ツールを製造し、桁のより大きな断面を成形してプロトタイプ試験を行いました。

CFRPツーリングは非常に低いCLTE値を持ち、インバーより軽量で、プロトタイプ/少量生産部品用ツールだったため、チームはCFRPフェイススキンでAMコアを拘束することにしました。スキンはヘキセル（米国コネチカット州スタンフォード）のHexTool M81エポキシツーリングプリプレグで作られました。

上部画像は、サブスケールBAAMプリントツール右半分の一断面で、赤線がプリント後の切断線を示す。下部画像は、断面を接合後の右半分ツール。写真提供：デイトン大学研究所。

材料形式は、ヘキセルの8552タフネッドエポキシを含浸した2,000g/m²/59oz/yd²のチョップドカーボンファイバーマット。この材料はほぼ等方的特性を持つため、残留応力緩和によるツール移動なしで成形後機械加工が可能なことから、複合材ツーリングによく使用されます。

コアはシンシナティ社BAAM 1000プリンタでアディティブ・エンジニアリング・ソリューションズ（オハイオ州アクロン）でプリントされること、UDRIとシンシナティ社が耐熱熱可塑性樹脂ポリエーテルイミド（PEI）で豊富な経験を持つことから、SABIC（サウジアラビア・リヤド）の20%短繊維炭素強化PEI（Thermocomp EX004EXAR1 Ultem）を選定し、ニアネットシェイプコアをプリント。（炭素繊維の存在がプリント中のポリマーを安定化させ、たるみを防止。完成構造では繊維がプリント方向のCLTEを低減。）コスト削減のため、コアをツーリングマスターとして機能させ、フェイススキンを接着剤なしでコアに直接積層しましたが、プロジェクト中に開発された知的財産（IP）の対象となるコア表面への若干の修正を施しました。このアプローチは効果的で、複数の熱サイクル後も剥離はありませんでした。

凝縮された製造プロセス

従来の航空機構造CFRPツーリング製造では、まず低コストマスターを作ります。通常、ツーリングボードブロックをオーブンやオートクレーブで接合し、単体構造を所望の部品形状に機械加工。その後ツーリング材料を積層・バッギングし、マスター上でオートクレーブ硬化。脱型・清掃後、バッキング構造をツールに接合し、ツーリング表面を再度機械加工して良好な幾何公差と表面仕上げを確保します。

ハイブリッドAMツーリングでは、チームはリードタイムとコストを削減する凝縮製造プロセスを開発しました。まず、ニアネットシェイプコア（ツーリングマスター）を3Dプリント（短繊維カーボン/PEI）。次に、CFRPツーリングプリプレグをコア両面に直接積層（サプライヤー推奨により1、4、7層目でホットデバルク）。全体をバキュームバッグし、オートクレーブ硬化。

サブスケールC桁ツールの凝縮製造プロセス

ステップ2：BAAMプリントを中央で切断し左右半分に。

ステップ3：BAAMプリントを接合して必要長さを達成し硬化させる。

ステップ4：メーカー指示通りホットデバルクしながらツーリングプリプレグをコア両面に積層。

ステップ5：バキュームバッグしオートクレーブ硬化。

ステップ6：硬化済みツールを機械加工し最終寸法と表面仕上げを達成。

PEIコアとエポキシスキン間で積層硬化時に良好な接着が得られたため、接着剤は不要でした。CFRPスキンは非多孔性でAMコアより耐久性が高いだけでなく、はるかに低いCLTE値により、温度変化時のコア移動を物理的に拘束します。従来のツール製造で主要なコストとなる単一硬化と単一機械加工操作のみで、最終寸法と表面仕上げを達成。また、サンドイッチ構造とツール形状（金型上部のリターンフランジで横剛性、金型中央のボルト接合で縦剛性を確保）により、バッキング不要で接合工程を削減。

初期課題

研究者たちは新プロセスでいくつかの管理可能な課題に直面しました。

BAAMでの製造容易性のため、コアの推奨製造方向は断面を垂直ビルドとしてプリントすること。0.6メートルツールでは問題ありませんでしたが、より大きなツールでは3.3メートルがBAAM 1000の垂直プリント可能高さを超えていました。プリンタのZ軸プリントスペース制約により、研究者たちは両サブスケールツールを長さ方向に半分にし、さらに左右断面に分割（桁キャップアンダーカット問題対応と脱型容易化）。

プリント効率向上のため、ツール断面を背面合わせでプリントし、右・左ピースに切断。3.3メートル長を達成するため、2つの右半分を、続いて2つの左半分を、ヘンケル社（米国コネチカット州ロッキーヒル）のLoctite EA9394エポキシ接着剤で接合。AMコアはあえて非機械加工のままとし、これが低ツーリングコストと短納期達成、およびAMコアと両面CFRPスキン間のメカニカルインターロック創出に不可欠と判断。各ツール半分の裏面は5プライ、表面は機械加工除去用の余代として9プライで積層。

予備結果

AMコアのCLTE制御に加え、プリプレグはピットフリー表面を提供し、シーラント/コーティングなしで真空完全性を維持。このアプローチは非常に成功し、ガスケットでシールされた多片ツール設計の使用を可能にしました。これはAMツーリングで高温使用において以前実証されていなかったと研究者たちは考えています。また、ツール質量が大幅に削減され、サブスケールツールは同等インバー設計の計算重量の3分の1でした。軽量CFRPツールは取り扱いとラック保管が容易で、オートクレーブの加熱/冷却サイクルも短縮。フルサイズC桁成形ツールでは、この重量優位性が一部製造現場のガントリー/クレーン重量制限の上限/超過の差を生む可能性があります。

重要なことに、0.6メートルハイブリッドツールコストは製造中に業界標準労務単価で計算され、24,136米ドルで、機械加工コストとプリント/積層コストが概ね50/50の分割。対照的に同一インバーツールは46,775米ドルで見積もられ、ほぼ50%のコスト削減。3.3メートルツールコストは未完了だが、材料/プリントコストが線形にスケールする一方、機械加工コストが規模の経済性で影響減少するため、単位長さあたり約30%削減が期待されます。ハイブリッドアプローチは、エアバスとノースロップ・グラマンの運用性能要件を満たすツールを生み出し、迅速プロトタイプまたは低使用回数ツーリングとしてインバーの実行可能な代替と見なされます。ツール寿命調査はこの研究の一部ではありませんでしたが、実証された12サイクルをかなり超えて延びると予想されます。

プロジェクトは18から30ヶ月に延長されましたが、最終アズプリントコア形状がCAEモデル予測とどう異なるかの理解など、さらなる研究が必要な領域もあります。チームは予測精度向上も望んでおり、重要領域に十分なプライを追加し、機械加工時のパンチスルー防止を確実にしたいとしています。それでも、チームはこのプロジェクトを成功と見なし、将来のLFAMツーリングに大きな機会があると考えています。

「ノースロップ・グラマンは、UDRI製3.3メートルハイブリッドツールと自社の自動スティフナー成形（ASF）プロセスを用いて、3メートル桁デモンストレーション部品を製造し、ツールの耐久性と寸法安定性を評価することを楽しみにしています」と、ノースロップ・グラマンテクニカルフェローのバーン・ベンソン氏。