熱可塑性複合材が現代航空機で大幅な軽量化を実現

ビクトレックス、トライマック、サフラン・キャビン共同開発の航空機収納ビンブラケット。2つのカーボンファイバー／PAEKインサートをPEEK樹脂でオーバーモールド。結果：質量50%削減、コスト20%削減、バイ・トゥ・フライ比大幅改善。出典：ビクトレックス

金属航空構造を熱硬化性複合材へ転換する際、翼・胴体・尾翼構造という「手の届きやすい果実」の大半は既に収穫済み。次世代航空機では熱可塑性複合材が大型構造でも主要役割を果たすでしょう。しかし、現在でも熱可塑性複合材への転換機会は存在します。

その一つが、めったに注目されないが極めて重要な部品：内装荷重負担ブラケット。これらは隔壁、トイレ、ギャレー、荷物収納ビンを床と胴体に取り付けるブラケット（現行アルミニウム、ステンレス、チタン）です。形状・サイズは取付対象により多様。個々のブラケットは軽量ですが、1機あたり数百個使用されるため総重量は相当です。

航空機内装スペシャリストのサフラン・キャビン（米国カリフォルニア州ハンティントンビーチ）はこの点に着目し、熱可塑性複合材スペシャリストのビクトレックス（英国ソーントン・クリーヴリーズ）とファブリケーターのトライマック・プラスチックス・マニュファクチャリング（米国ロードアイランド州ブリストル）と協業し、アルミニウム製収納ビンキャビンブラケットを、VICTREX AE 250カーボンファイバー／ポリアリルエーテルケトン（PAEK）単方向（UD）テープをVICTREX PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）150CA30ポリマーでオーバーモールドした新設計へ転換しました。

物理試験中のオーバーモールドブラケット。出典：ビクトレックス

ブラケットは長方形ベースに中央から突出する2つの垂直インサートで構成。ベース四隅にファスナー用成形穴、各インサート頂部近くにアタッチメントピン等ハードウェア用穴。インサートはカーボンファイバー／PAEK材料、ベースはPEEK樹脂でオーバーモールド。

ビクトレックスとトライマックはサフラン・キャビンと共に、材料、部品設計最適化、加工・金型専門知識を提供し、設計機能実現と主要性能パラメータ達成を支援。サフラン・キャビンは航空宇宙運用・認証環境への適用性確保のため設計・製造専門知識を提供。

ビクトレックス航空宇宙ディレクターのティム・ヘル氏によれば、インサートはディーフェンバッハー（カナダ・オンタリオ州ウィンザー）Fiberforgeマシンで製造。カーボンファイバー／PAEK UDテープを積層しラミネート構築。プレス圧着、エッジトリミング、ウォータージェット切断でインサート成形。ウォータージェット切断時に各インサート基部をスカロップ形状に加工し、オーバーモールド時の機械的インターロック面を形成。

インサートを金型配置後、PEEKを射出オーバーモールド。「オーバーモールド時、PAEK複合材インサートと射出成形PEEK材料の間に非常に強固な結合が生まれる」とヘル氏。このイネーブラーの鍵はPAEKとPEEKのユニークな組み合わせ。PAEKのプロセス温度がPEEK比約40℃低いことが、両部品間の密接で耐久性ある結合を促進。「PAEK発明なしでは、このタイプのハイブリッドモールディングは不可能だった」とヘル氏。

負荷条件下でのブラケット性能シミュレーション画像。出典：ビクトレックス

この設計・プロセス組み合わせには広範なシミュレーション、解析、試作、物理試験が必要で、ビクトレックスはインサート変形、樹脂フロー逡巡、結合・界面不良、ボイド等複数の設計・プロセス欠陥を特定。設計者を図面に戻し設計最適化、製造エンジニアを射出成形機に戻しプロセス最適化へ。最終設計・プロセス組み合わせでこれら課題を克服し、熱可塑性複合材オーバーモールドブラケットの実現可能性を実証。

初期試作ブラケットはトライマックで製造。オリジナルアルミニウム部品比で20%コスト削減、50%重量削減、バイ・トゥ・フライ比5倍改善を達成。

「航空機ブラケット等構造部品への多様な需要に対応するには、各ケースの荷重・拘束・環境条件に対応できる柔軟な複合材プラットフォーム開発が鍵。部品点数と設計複雑性削減、市場投入期間短縮、収益化加速につながる」とサフラン・キャビンR&Tエンジニア、タイラー・スミソーン氏。

ビクトレックスによれば、ハイブリッドオーバーモールドプロセスは拡張性・反復性ある技術で、商用航空宇宙顧客のスクラップ率削減、サイクルタイム短縮、部品統合、二次工程削減に貢献可能。

第2設計イテレーション後の試験結果、負荷限界と破壊条件で大幅改善示す。出典：ビクトレックス

「ビクトレックスは、担当分野で『破壊的』技術アプローチ導入の実績を誇り、PAEK材料の加工・性能ノウハウで商業化プロセスを加速してきた」とヘル氏。「ハイブリッドオーバーモールドとVICTREX AE 250複合材は正にそのカテゴリーだが、これは始まりに過ぎない。顧客・パートナー支援のもと複合材提供を継続試験し、これら材料の全ポテンシャル実証へ」

現在、ブラケットは最終試験と量産部品認定段階。「目標は2019年後半に複合材ブラケットを実用化。性能実証に全力を尽くした」とヘル氏。

ビクトレックスのフランク・フェルフェッキ氏、サフランのタイラー・スミソーン氏、トライマックのクリス・ビエレガード氏が、CAMX 2019（アナハイムコンベンションセンター、2019年9月24日火曜日14:30、ルーム201D）でサフランハイブリッドブラケット開発について発表予定。