自動化航空複合材製造：液体成形vs溶接熱可塑性、戦略的比較概観

OEMとサプライヤーが次世代航空機を実現する材料・プロセスを探索する中、2つの異なるアプローチが実証されています。一つはドライファイバープリフォームの液体成形。例：Spirit AeroSystems（英国プレストウィック）のエアバスA320スポイラー向け高速樹脂移動成形（RTM）ライン、エアバス主導の「Wing of Tomorrow（WOT）」プログラムでの自動非クリンプファブリック（NCF）配置と液体樹脂注入、オートクレーブ外（OOA）オーブン硬化（関連記事：「高速自動化航空宇宙RTMラインが次世代スポイラーを実現」「アップデート：下翼スキン、Wing of Tomorrow」参照）。

もう一つは熱可塑性複合材（TPC）。例：Clean Sky 2「多機能胴体実証機（MFFD）」での自動ファイバー配置（AFP）による stiffened skin作成（上半分はインサイチュ統合、下半分はオートクレーブ統合）、その後溶接で組立。両プログラムとも自動化で生産速度・品質向上とコスト削減を図るが、両者はどう比較されるか？

ドイツ航空宇宙センター（DLR）構造・設計研究所はアウグスブルクに軽量生産技術センター（ZLP）を運営。多数の複合材製造プロジェクトの中でも、PROTEC NSRとFast Lane RPBは、それぞれ液体成形熱硬化性（TS）リアプレッシャーバルクヘッド（RPB）（エアバスA350双通路機向け）と熱可塑性（TP）RPB（エアバスA320単通路機向け）を、同一Tier 1サプライヤーPremium Aerotec Group（PAG、ドイツ・アウグスブルク）で、自動化実証しながらサイクルタイムとコストを評価するユニークな比較機会を提供。

液体成形熱硬化性バルクヘッド（PROTEC NSR）

「長年PAGとAZIMUTプロジェクトで複合材製造手作業プロセスを分析してきた」とZLPアウグスブルク接合・組立技術部門長Lars Larsen博士。「最初の自動化ソリューションは積層工程、その後更なる工程自動化を推進。」PROTEC NSRの主目標は、RPB製造用特化ソリューションを単一自動化プロセスチェーンに統合することと、Fast Lane RPBプロジェクトマネージャーMarcin Malecha博士（DLR）は説明。

プリフォームとグリッパー。 真空袋詰めドライプリフォーム作成工程を図1に示す。エアバス特許の真空支援プロセス（VAP）でRTM6エポキシ樹脂を注入、半透膜採用で気孔率低減。プリフォーム積層：最大5m長、1.27m幅の5ハーネスサテンカーボンファブリック全幅使用で16プライ×2セット。間に最大1.5×2.5mの複雑形状補強材25個を挟み込み、上部に8本のストリンガー配置。

「必要精度でドレープ・ハンドリングできる工具とグリッパー開発が最大課題の一つ」とLarsen氏。複雑なプライ組み合わせで3種類のドレープ機構が必要だったため：

1. ロールからの全幅材料直接適用、金型形状への適応
2. 大型カット構造プライのドレープ：2台ロボット協働、各々一辺担当、目標金型ジオメトリ作成し皺なく配置
3. 小型成形プライ（最大1.5×2.5m）対応

「協働ロボット用に、球面関節で接続された6モジュール含むエンドエフェクターを開発」とLarsen氏。「蛇のように変形し、目標金型ジオメトリに追従可能。輸送・成形中にファブリック内バインダーを活性化する統合加熱装置で、配置後も3D形状と位置を保持。」

自動ドレープと配置

小型成形プライ（最大1.5×2.5m）用には、真空吸着装備127モジュールグリッパーを第2種として開発。「2D状態で材料ピックアップ、目標ジオメトリへ3D変形」とMalecha氏。「127モジュールのどれを保持・どれを滑らせるか判断し、2Dプライを3D形状に変形。手でドレープするのと非常に似ている。どこを保持・解放するか多くの実験と経験で習得。モジュール把持力で力調整可能。」

インライン検査。 モジュラーグリッパー内光学センサーでドレープ監視。プライ配置後、Leica T-Scan（Hexagon Manufacturing、英国コバム）とProfactor（オーストリア・シュタイア）製カメラベース繊維角度測定システム組み合わせエンドエフェクターで品質検査。「まず繊維角度をCADデータと比較、次に各ピースのエッジ位置をCADと照合」とMalecha氏。

ストリンガーと真空袋詰め。 プリフォーム完了後、8本のストリンガー（補強材）を上面に装着。Multi Kinematic Gripperを開発・使用、真空袋詰め補助材も適用。このグリッパーは、産業用6自由度（DOF）ロボットのセンターフランジに、3台の小型独立6-DOFロボットとリジッドアームを搭載。真空袋詰め補助材（ピールプライ、穿孔離型フィルム、樹脂流動媒体（ツール側補助材））は事前カット・事前接合、配置箇所に合わせ設計。「ドレープ不要、配置のみ」とMalecha氏。プレファブ半透膜は「傘型」機構エンドエフェクターで半自動適用、タッキーテープと外側真空袋は手作業だが自動化も可能。

サイクルタイムとコスト。 Malecha氏にとって最大課題は、モジュラーAIベース製造実行システム（MES）構築でプロセスチェーン監視・制御。「全く異なるプロセスを統合し、単一データ交換ポート経由でMESから指令できるデータ管理システム構築が必要。必要に応じフライングで起動可能、厳格な製造オーダー順守より柔軟で幅広い運用可能。」

PROTEC NSR技術は2019年1月フルサイズ実証機製造で検証、2019年中盤までにTRL 5-6達成。PAG現行最先端技術比で、ロールファブリック適用サイクルタイム58%短縮、カットプライピックアンドプレース50%短縮。これら工程の製造コストはそれぞれ11.5%と31%削減。

熱可塑性バルクヘッド（Fast Lane RPB）

「2018年PAGとIVW（カイザースラウテルン・複合材研究所）と共に、大型部品・一次構造への熱可塑性複合材適用可能性を実証開始」とZLPアウグスブルク溶接技術エキスパート、Fast Lane RPBプロジェクトマネージャーStefan Jarka博士。「RPBは機械的要求が翼・胴体ほど高くないため『一次構造』とは言えないが、大型・平坦・緩やかな曲面構造での可能性を示せる。わずか4ヶ月で、既存アルミ構造から熱可塑性複合材への転換例としてA320 RPB実証機を開発。」

本実証機はCetexカーボンファイバー（CF）ファブリック/ポリフェニレンサルファイド（PPS）オルガノシート（Toray Advanced Composites、オランダ・ナイフェルダル）と抵抗溶接を使用。被溶接面間に抵抗発熱体を配置、溶接後も構造内に残留。GKN Fokker（オランダ・フーフェフェン）が数十年、着陸装置ドアと固定前縁で同技術採用。本A320 RPBでは従来ステンレスメッシュ代わりにCF発熱体を使用。

「熱可塑性複合材RPBを同価格以下にする必要があったが、材料費は大幅に高い」とLarsen氏。したがって自動化による製造コスト削減が鍵、8つの同一花弁セクション活用も重要。「二重曲面形状形成にはこのセクション分割が必要」とJarka氏。「一体熱成形には巨大プレス必要でコスト高。したがって8小セクションに分割、IVWが金型合わせプレス成形。熱可塑性プレス成形の自動化レベルは熱硬化性より高い。主課題は高温一定維持だが、自動プレスサイクルが非常に高速。」

実証機RPB全工程ステップを図2に示す。「溶接プロセス自体は新規ではないが、直径3m部品の1.5m長・40mm幅継ぎ目溶接と品質検査システム統合のため更なる開発必要」とJarka氏。「部品を位置決め治具で固定、通電で溶接ゾーンに溶融生成。」

図2. 熱可塑性RPB工程ステップ
CF/PPSオルガノシートをスタンプ成形で8セクション（下段）製造、抵抗溶接で接合しA320バルクヘッド実証機形成。Photo Credit: DLR構造・設計研究所

品質保証統合。 「フラッシュランプ・超音波励起両方のサーモグラフィ試行したが、溶接ゾーン測定は容易でない」とJarka氏。「サーモグラフィは高速だが、良好な統合かどうか判別しにくい。」代わりに標準試験リグで複数溶接サンプル作成、電流・電圧・温度測定。超音波試験（UT）で検査し、プロセスパラメータと良好統合の相関確立。「良パラメータなら良品。溶接中取得データと初期ベースライン比較用プロセスシミュレーションも構築」とLarsen氏。

自動化とサイクルタイム。 「全プロセスが自動車部品レベルで非常に高速」とJarka氏。2019年レビューでTRL 3達成、以降TRL 4に成熟。2021年末までにTRL 6達成見込み。パンデミック前はPAGが2021年熱可塑性RPB量産開始予定。将来不透明だが、熱可塑性RPBは「明日の胴体」を可能にし、重量41→35kg削減、工程・組立時間75%短縮、総合部品コスト10%以上削減が見込まれる。

熱硬化性vs熱可塑性複合材の比較

「熱可塑性プロセスは非常に高速で、アルミニウムより安価に、月産100機ペースにも対応可能」とJarka氏。「RPBは熱可塑性溶接にも自動化にも好適な用途」とMalecha氏。「ドライファイバー液体成形RPBは自動化コストが高い。」

「だがその自動化も興味深い。部分工程自動化だけで実利益得られるから」とLarsen氏。「例：補助材自動化で真空袋詰めを約1時間で完了、手作業比約10倍高速。」しかしコストが導入障壁と認める。「デジタルツール・ロボット・開発コストがRPB単一部品には過大。だがモジュラーアプローチで多部品展開できれば、コスト分散で削減時間・人件費と合わせ採算可能。」ZLPはまさにこれを達成、CW2020年7月特集「Composites 4.0：デジタル変革、適応的生産、新パラダイム」で詳述。

「熱硬化性と熱可塑性複合材構造の比較はまだ少ない」とMalecha氏。「だがプロセス比較を開始している。」次目標は熱可塑性溶接ラインが航空機翼・胴体に必要な特性を持つこと実証。大型一体液体成形翼でも同様性能実証必要。これらはMFFDとWOTプログラムが目指すところ。これらおよび他多数のClean Sky 2・ECプロジェクトの成果を待ち、次のステップを見極めたい。