熱可塑性航空構造の前進：新たな製造ブレークスルー

熱可塑性複合材の有利な特性（靭性、比較的高い面外強度、持続可能性/リサイクル性）は、数十年にわたり航空機**設計**エンジニアを熱可塑性複合材一次構造の概念に惹きつけてきました。しかし、航空機**製造**エンジニアは、CADシミュレーションから生産現場へコスト効率よく進める方法を見つけることに不確実性を抱いていました。しかし、彼らは躊躇していません：必要な製造技術の開発努力は世界中で継続されており、おそらくオランダほど執拗に取り組んでいる場所はないでしょう。

一体型Lストリンガー。 Gulfstream向けに設計・製造されたGKN Fokkerのカーボンファイバー/PEKK胴体は、工具離型を可能にするわずかに鈍角な曲線縦方向Lストリンガーを採用。CW写真：Jeff Sloan

2009年、オランダの9社の産業企業と研究機関がAirbus（フランス・トゥールーズ）とともに、熱可塑性手頃な一次航空機構造（TAPAS）コンソーシアムを結成しました。このイニシアチブは2014年に12パートナーに拡大し、TAPAS2として継続。TAPAS2でAirbus開発用途を対象として、GKN Fokker（オランダ・フーフェフェン）は最近、同社が「突合せ接合オルソグリッド技術」と呼ぶものを使用し、熱可塑性複合材胴体設計のコスト効率の良い生産を可能にする胴体デモンストレーターを開発しました。

熱可塑性複合材一次航空機構造の完全な利益は、まだ数年先ですが、Gulfstream Aerospace（米国ジョージア州サバンナ）がGKN Fokkerと提携し、TAPAS2胴体技術を前進させ、完全な胴体への材料とプロセスの適用可能性を示唆しています。今年初めにJEC Worldで展示された新開発胴体パネルの背景には、設計と製造方法の進歩、さらに設計-製造エンジニアリングのより徹底した統合アプローチがあります。

「伝統的に」とGKN FokkerチーフエンジニアのAndries Buitenhuis氏は説明します。「ファブリックや一方向テープを使用していても、設計者は主に0°、90°、45°の従来の層配向に固執していました。彼らは合板積層テーブルから作業し、他分野とは独立していました。」新しいアプローチは、統合されたデジタル化された設計-製造ソフトウェアプラットフォーム（TAPASを通じて開発）で、さまざまな分野のエンジニアが同じデジタルモデルを見て、より複雑な部品設計を概念化できるようになっています。「これにより、前例のない最適化の可能性が広がります」とBuitenhuis氏は続けます。「複雑な形状では、繊維方向はあらゆる方向に向きます。非従来型積層を構築し、設計許容値、製造ギャップとオーバーラップ、曲率半径などを新たな視点で見直せます。そして構造の強度を局所的に最適化できます。」これらの拡張された設計オプションは、自動ファイバープレースメント（AFP）マシンのファイバーステアリング能力や、以下で議論する他の製造能力の進歩をより完全に活用します。

この統合デジタルシステムによる設計自由度は、ビジネスジェットパネルの設計と製造に不可欠であることが証明されました。TAPAS2胴体設計では、カーボンファイバー/ポリエーテルケトンケトン（PEKK）パネル（SolvayのAPC PEKK-FC使用）が、溶接されたファスナーフリーのフレーム-スキン接合を特徴としており、これは設計のコスト効率に不可欠な要素です。「アルミニウム胴体シェルとのコストパリティ達成を予測しています」と、GKN Fokkerの熱可塑性複合材技術責任者Arnt Offringa氏は説明します。「なぜならアルミニウムシェルはリベット留めされるからです。」機械的ファスナーの排除は、従来の複合材ソリューションと比較して、航空機一次構造で20%のコスト削減と10%の軽量化をもたらすと予想されます。もちろん、コストと重量削減の多くはファスナー自体の排除と、それらの取り付け作業コストの削減から来ます。また、ファスナーを収容するための複合部品への穴あけが不要になることも非常に重要です。穴は追加補強を必要とし、したがって追加重量を招きます。

GKN Fokkerは、TAPAS2の下でAirbus向けに加圧胴体で技術成熟度レベル（TRL）3（概念実証）に達し、アルミニウム胴体パネルとのコストパリティを実証しました（2017年12月）。その過程で、GKN Fokkerチームは、この熱可塑性胴体技術のビジョンを民間旅客機からビジネスジェット用途へと拡大しました。

Gulfstreamの関心

GKN Fokkerの熱可塑性複合材部品でのGulfstream向け成功実績が、ビジネスジェットメーカーとの提携を論理的な次のステップにしました。「Gulfstreamが長年熱可塑性複合材部品を飛行させていることは広く知られています」と、Gulfstreamの先進構造材料イニシアチブ（ASMI）マネージャーMark Chapman氏。「胴体パネルプロジェクトは、よりシンプルな部品から一次構造部品へと進んできた自然な進展です。」GKN Fokkerは、G650のテールエレベーター、ラダー、フロアパネルなど、多数の熱可塑性複合材二次部品の開発でGulfstreamと提携してきました。

2015年、Offringa氏とBuitenhuis氏がTAPAS2プロジェクトの進捗をGulfstreamにプレゼンテーションし、Chapman氏とそのチームはTAPAS2成果のメリット獲得の可能性を認識しました。「重量削減メリット、優れた衝撃耐性と靭性、性能向上の可能性を見出しました」とChapman氏は回想します。ファスナーフリー設計も魅力的です。「溶接技術により、機械的ファスナー組立よりも効率的に胴体を組み立てられます」とChapman氏。

GKN Fokkerとの提携は、金属構造では経済的に実現困難なより複雑な胴体形状の研究開発をGulfstreamで支援します。「金属は限界までストレッチフォーミングできます」とChapman氏。「複雑な形状に必要な継ぎ目と支持構造は効率的ではありません。」Offringa氏も同意します。「このような複雑な形状は従来技術では製造が困難です。」

設計と製造の融合

ファスナーフリーで生産可能な設計を達成するため、GKN Fokkerのアプローチは、胴体接合部が受ける2つの主要な力（客室圧力と工具落下などの衝撃）に耐えることに焦点を当てています。客室圧力は胴体に径方向の力をかけ、フレーム-スキン接合部に高荷重を生じさせます。従来設計では、胴体フレームに縦方向ストリンガーが通過する「マウスホール」が含まれます。客室圧力の力により、これらのマウスホールは高い剥離力を受ける不連続点となります。これは、複合材の面外強度が金属より低いため、ファスナーフリー設計では大きな懸念です。衝撃も、フレームが衝撃で曲がらないため、フレーム-スキン接合部に高荷重を生じさせます。

二重曲率。 熱可塑性複合材胴体パネルは、Gulfstreamビジネスジェット後部胴体の複雑な形状に対応し、スキンのファイバーステアリングAFP積層とオルソグリッドの共同固化を実現。円周ブレードストリンガーに注目。これらは後でフレームに溶接される。出典：GKN Fokker

GKN Fokker/Gulfstreamチームは、複雑な曲率への対応が金属でも従来の複合材設計-製造アプローチでも不可能であることを認識していました。特にBuitenhuis氏は「複雑な胴体設計はファイバーステアリングなしでは不可能です」と指摘します。このAFPマシンの能力が、設計者を殻の複雑な形状に基づいて局所的にファイバー配向を最適化し、標準の0/45/90ファイバー配向オプションから脱却させました。「形状と軽量化のためのファイバーステアリングは、このプロジェクトで最も重要な進歩の一つです」とChapman氏は信じています。

GKN Fokkerは、同社が高速熱可塑性テープ積層向けに開発した超音波AFPマシンで胴体パネルのスキンを製造しました。テープは一方向であり、ファブリックテープと比較して積層性能も向上します。

客室圧力と衝撃力による高荷重、およびその他の性能要求を無事に処理し、TAPASおよびTAPAS2で開発され、現在Gulfstreamパネルで採用されている新概念は、「突合せ接合された直交剛性スキンと溶接フレーム」と説明されます。この説明を解き明かすと、3つの主要設計特徴とそれらを実装するために必要な製造開発が浮かび上がります：（1）オルソグリッド、（2）突合せ接合、（3）溶接技術。

オルソグリッド

パネルの強度要件は、完全に相互接続された直交グリッド補強によって部分的に満たされます。このオルソグリッドは、剥離力が増大するポイントであるマウスホールに関連するピーク荷重を排除します。オルソグリッドは、連続縦方向ストリンガーと、2つの異なるコンポーネントで構成されるフレームで構成されます：不連続だが接続された円周ブレードストリンガーと、それらの上に溶接されるフレーム。

コスト効率の良い突合せ接合。 GKN Fokkerは、短繊維射出成形エレメントと連続繊維フラットラミネートをストリンガーウェブとキャップ（ここではTストリンガー；Gulfstreamパネルでは同じ技術でLストリンガー）に使用し、オルソグリッドとオルソグリッド-スキン接合を可能にする突合せ接合を革新・特許取得。出典：GKN Fokker

これは、オルソグリッド開発の数年間を経て進化した、胴体補強材設計の新世代を表しています。最初、GKN Fokkerは、縦方向と円周方向の両メンバーのキャップが連続し、コーナーでオーバーラップするTストリンガーを使用していました。しかし、フレームとの接合には円周キャップの除去が必要でした。したがって、TストリンガーはLストリンガーになり、フレームは円周ブレードストリンガーとなり、その後フレームがそれらに溶接されるようになりました。

もう一つの修正が必要なのは、縦方向と円周方向の両方で使用される曲線ストリンガーにより、工具離型がより困難になるためです。したがって、Lストリンガーはキャップ-ウェブ角度を90度以上に設計し、工具ピースがストリンガーグリッドから常に横方向にスライドアウトできるようにしています。

突合せ接合

GKN Fokkerはオルソグリッド設計だけでなく、グリッドおよびグリッド-スキン接合メカニズムの新しい製造アプローチも開発しました。「グリッドの製造は法外に高くつく可能性があります」とOffringa氏。「しかし、当社のグリッドはフラットラミネートとシンプルな射出成形『フィラー』で構築されています。」

より具体的には、GKN FokkerはGulfstreamパネル（および先行するTAPASパネル）に特許取得済みの突合せ接合技術を適用しました。TまたはLストリンガーコンポーネントのウェブとキャップ、およびブレードストリンガーコンポーネントは、フラットなカーボンファイバー/PEKKラミネートからウォータージェット切断されたプリフォームから製造されます。接合エレメント（スキン-ウェブ、ウェブ-キャップ）は、短繊維カーボン/PEKK材料から射出成形されたπ字型フィラーです。樹脂とカーボンファイバータイプの両方がグリッドメンバーのものと一致します。

スキンとオルソグリッドは、Invar内部モールドラインウェブを使用して共同固化されます。工具には、オルソグリッドコンポーネントと工具ブロックをロードする溝が備わっています。AFP形成されたスキンをIML上に配置し、全体をバッグングしてオートクレーブで共同固化します。

溶接

自動溶接。 熱可塑性複合材胴体パネルの経済的実現性に貢献し、GKN Fokkerはロボット溶接技術を開発・採用。出典：GKN Fokker

オルソグリッドと突合せ接合設計の組み合わせにより、オルソグリッドとフレームのファスナーフリー接合が溶接で可能になります。TAPASチームメンバーによってTAPAS2フェーズ中に、誘導、伝導、超音波溶接技術など複数の溶接技術が開発されました。Gulfstreamパネルでは、フレームウェブを円周ブレードストリンガーに接合するために伝導溶接が採用されました。この作業は溶接ヘッドをロボットに搭載して実行されます。これはコスト効率の良い製造性に貢献するもう一つの開発です。

いくつかのステップの一つ

GKN Fokkerは2017年にGulfstreamとの協力を開始し、胴体パネルの設計コンセプトを作成しました。2018年と2019年にいくつかの曲面パネルの設計と製造が続き、マイルストーンとなる最初のパネルデモンストレーターが今年のJEC Worldで展示されました。

完成部品。 フレームエレメントが円周ブレードストリンガーに溶接され、Gulfstream胴体パネルはテスト、評価、継続的開発の準備が整い、企業は生産用熱可塑性複合材胴体に向けて取り組みます。出典：GKN Fokker

GKN Fokkerはパネル製造を継続しており、今年後半にTRL4（コンポーネント検証）達成を期待しています。「完全成熟への道筋について現在議論中です」とOffringa氏。パネル設計が特定プラットフォームを対象としていないことを指摘し、Chapman氏はパネルテストがGulfstreamの材料特性と性能理解を深める助けになると報告しています。熱可塑性複合材一次構造のより広範なビジネスケース（ジェットの性能、製造コスト、使用コスト、耐久性を含む）について、Chapman氏は「研究開発の道をさらに進めば、それらをより良く理解できるでしょう。現時点では、これらの複雑な形状をコスト効率よく作ることに焦点を当てています。」と述べています。