高圧RTM：CFRP航空宇宙構造の効率的・コスト効率的生産

樹脂移転成形（RTM）が約10年前に高圧RTM（HP-RTM）へ移行し始めたとき、自動車用途での評価が主でした。複合部品サイクルタイムを数時間から2分未満に短縮したためです。航空宇宙部品へのこの技術適用については、あまり語られてきませんでした。航空機業界は従来RTMと長い歴史があり、商用機エンジン用の数千個のカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）ファンブレードとコンテインメントケースの製造などに使用されてきました。AirbusはRTMを用いて、Airbus A320向け7メートル長ワンピース複合材マルチスパーフラップのプロトタイプも作っています。しかし、数時間かかるプロセスの経験を、複合材航空機部品の完全自動成形（数分）へ移行することは可能なのか？複数の主要プレイヤーは、可能だと述べています。

従来のRTMは、ここでは明確化のためLP-RTMと呼びますが、通常10〜20バーの注入圧力を使用します。一方、HP-RTMは30〜120バーの注入圧力を使用します。

「10年前、EU資金プロジェクトを通じて航空宇宙RTM加工に取り組み始めました。胴体フレーム製造が目的でした」と、Alpex Technologies（オーストリア・ミルス）研究開発責任者Bernhard Rittenschober氏。同社はシリアル複合部品生産向け革新的工具システムのサプライヤーです。「当時、[Airbus] A350の多くの部品がRTMで作られると予測されていましたが、これは実現しませんでした。」しかしAlpexは技術開発を継続し、自動車と航空宇宙両業界へのサプライヤーとして、両業界のプロセスをどう融合できるかを検討し始めました。「航空宇宙で認定されている[Hexcel] RTM6エポキシ樹脂を使用し、自動車工具のベストプラクティスと自動注入システムを組み合わせてサイクルタイムを短縮するというアイデアでした」とRittenschober氏は説明します。

その結果、2013〜2015年の研究プログラムTAKE OFFがオーストリア政府資金で実施され、AlpexはAirbus Helicopters（ドイツ・ドナウヴェルト施設）、設備サプライヤーKraussMaffei（ドイツ・ミュンヘン）、試験専門家Aerospace and Advanced Composites（AAC、オーストリア・ウィーナー・ノイシュタット）、樹脂サプライヤーHexcel（米国コネチカット州スタンフォード）と共に参加しました。このプログラムでは、HP-RTMによりA350ドアフレームで30%のコスト削減と、二成分（2K）樹脂システムの使用、インモールドセンサーによるインテリジェントな注入と硬化監視、部品サイクルタイムの更なる短縮能力など、重要な技術開発が実証されました。Alpexは開発を継続し、このHP-RTM技術が現在のCFRP生産課題の克服に役立つ潜在性を見ています。

この見解を支持する形で、Airbus Operations GmbH子会社の複合技術センター（CTC）も10年間自動RTMを開発しており、最初はLP-RTM、約5年前にHP-RTMへ移行しました。（*CompositesWorld*は2016年の施設ツアーでCTCのKraussMaffei HP-RTMマシンと開発作業を取り上げています。）「HP-RTMは、高速混合により高反応性樹脂が使用可能になるため、注入と硬化のボトルネックを解決します」と、CTC生産システムプロジェクトリーダー兼RTM技術担当窓口Jan Schiller氏。「1〜2メートルサイズのやや複雑な形状部品を、航空宇宙要件（例：繊維体積率60%、ボイド2%未満）を満たし、20分のサイクルタイムで生産するプロセスを開発しました。」同氏によれば、昨年Airbusサプライヤーとの訪問と議論で、複数部品がHP-RTMへの移行対象として特定され、A320航空機の高レート生産を可能にするとのこと。「これらの具体的加工を開発中で、今年中にシリアル生産へ導入するよう取り組んでいます。」

HP-RTM A350ドアフレーム

Alpexの開発は、オーストリアTAKE OFFプログラムを通じてSPARTAプロジェクトで完了しました。「Airbus Helicoptersが部品を選定しました」とRittenschober氏は回想。「このドアフレームは、A350のドアを開けて中に入るときに見える部分です。高さ約2メートル、幅200〜250mm、厚さ8〜10mm、複雑な形状と、組み立てドア（一次構造）のさまざまな要件を満たす設計特徴を持っています。」A350ドアは、Airbus Helicoptersがドイツ・ドナウヴェルトでLP-RTMを用いて製造する14部品で構成されます。SPARTAで選ばれたフレームは、ドアのより難易度の高い部品の一つです。「LP-RTM標準航空宇宙プロセスと直接比較できる良いデモンストレーション部品です」とRittenschober氏。

Alpexは、Airbus HelicoptersでのA350ドアフレーム生産に現在使用されているLP-RTM工具を設計・製造しました。HP-RTM工具の設計・製造では、**より自動車的なマインドセット**を適用します。「目標は、航空宇宙複合部品生産で自動車型自動化を可能にすることです」とRittenschober氏。「これは、Airbusが将来A320をより多くの複合部品で、月産60〜100機のレートで製造する場合に必要です。」

同氏続けて、「我々はBMW向け金型製造から来ており、BMWは部品とプロセスをシンプル化してサイクルタイム短縮を積極的に図っていました。一方Airbusは従来の航空宇宙複雑さから来ています。例えば開始時、Airbus Helicoptersはこの金型が何個の部品で構成されるか尋ねました。」現在のLP-RTMドア生産には複雑なマルチピース工具が含まれます。「HP-RTM工具はアッパーとロワーの1セットだけになると説明しました」とRittenschober氏。

したがってAlpexはシンプルな金型設計から始め、処理をより堅牢かつ柔軟にする機能を追加しました。例えば、大量生産自動車で使用されるシーリングシステム。「さらに、すべてのセンサーを金型に統合しています」と同氏。

プリフォームとプロセス

現在A350ドアフレームに使用されているプリフォームは織物材料を使用し、複数のデバルキング工程が必要で、3日間の生産サイクルになります。「ノンクリンプファブリック（NCF）を使用することにしました」とRittenschober氏。「これにより価格とサイクルタイムが大幅に低下します。Hexcel認定織物プリフォームで一部デモ部品も作りましたが、航空宇宙外の複合材業界では、SGLなどによる開発で織物からテープやNCFのような低コスト形態へのシフトが見られます。」

注入ポイントとファイバーウォッシュの問題について尋ねられると、Rittenschober氏はHP-RTM工具は注入ポイントが1つのみだが、プリフォームがクランプされて金型内で固定され非常に安定しているためファイバーウォッシュは発生しないと説明します。

もう一つの重要な点は、Alpexが現在Airbus Helicoptersで使用されている1成分RTM6の代わりに**二成分（2K）樹脂システム**を選択したことです。Rittenschober氏は2Kシステムの方がより反応性が高く、HP-RTMに適し、プレミックス不要で危険物輸送が不要なためコスト削減になる可能性があると主張します。ただし、180°Cのより高い温度が必要です。「これが我々にとって最も挑戦的な部分でした」とRittenschober氏。「120°Cでの処理に慣れていたためです。」

KraussMaffeiは、ドイツ・ミュンヘンの軽量技術センターに完成工具を、自動高圧（最大80バー/1,100psi）混合・計量・注入のRimStar Compact HP-RTMシステムに設置し、20個のデモンストレーター部品を製造しました。Rittenschober氏はベースラインプロセスを説明：80°Cで注入、120°Cまで昇温し1時間保持、180°Cまで昇温し90分硬化、降温（2°C/分）、脱型。「注入自体はわずか20秒ですが、総成形サイクルは約4時間です。」

サイクルタイムとコスト

SPARTAドアフレームの依然として長い硬化サイクルは、Airbus認定のHexcel RTM6樹脂処方とプロセスによって決まります。「180°Cで30分の硬化サイクル達成可能で、その後真空下で追加後硬化を行い熱応力を除去し機械的特性を確保しました」とRittenschober氏。特性はかなり良好で、LP-RTM部品と比較可能でした。

「プロセスを使用し、より多くの部品量で生産を自動化できることを示しました」とRittenschober氏。「金型内で注入と硬化を行い、その後プレス外で後硬化できます。」これは追加工具セットを必要としますが、単一プレスと注入ユニットのみで済みます。「このシステムで部品コストを700ユーロ削減でき、年間500〜1,000部品の生産レートで設備投資を容易に回収できます。これは決して高い生産量ではありません。」

CTCプロセス開発とデモンストレーター

工具とプロセス以外にも、HP-RTMドアプロジェクトには革新的なファイバーフォーマットの使用が含まれていました。「Airbus認定の織物テキスタイルから始め、非常に成功しました」とSchiller氏。「その後NCFとより革新的なテキスタイルに継続しました。」後者にはドライファイバープレースメントとスプレッドトウ層のインターリーフによる靭性向上が含まれましたが、ファイバーと層の緊密な充填により透過性が悪化し、樹脂浸透を妨げる問題が生じました。「特殊ファイバーによる透過性改善NCFなど、これに対処する開発もあります」と同氏。

HP-RTM圧力について、Schiller氏はプロセス採用の動機は、ポリウレタン業界からの混合技術によるものであり、高プロセス圧力によるものではないと強調します。「高反応性樹脂の良好な混合を得るためにHP-RTMを使用しています」と同氏。「金型内で多少高圧になるかもしれませんが、これは高速注入による二次効果です。2分サイクルの自動車部品では、ドライプリフォームへの樹脂浸透を我々よりはるかに高速で行う必要があります。我々の15分硬化時間では樹脂浸透により多くの時間がかけられ、金型内圧力も低下します。」

プレス締め付け力は部品サイズに依存します。「2メートルサイズまでの部品製造は問題なく機能します（約1,500トン）が、4〜6メートルサイズではビジネスケースの計算が必要です。プレス投資が非常に高くなるためです」とSchiller氏。CTCは2018年JEC Worldで1.5m×0.5m CFRPリブを展示（あらゆる航空宇宙一次構造を代表）。2019年末に高締め付け力プレスを導入予定。

2K樹脂とセンサーベースQA

Schiller氏は、これまでのRTM航空機構造はすべてサプライヤーが混合する1Kシステムのみを使用しており、サプライヤーが混合物を認証し、樹脂が認定要件を満たす責任を負ってきたと観察します。「今、2Kシステムを検討していますが、課題は混合品質の確保です」と同氏。プレミックス1Kシステムは反応防止のため低温出荷・保管が必要。したがって2Kシステムの利点には、このコスト排除と高反応性による高速処理が含まれます。しかし、品質保証（QA）が樹脂サプライヤーから部品メーカーに移るという問題があります。「このQAには混合比**と**混合樹脂品質の検出が必要です。両方ともAirbus新材料認定に必要です。つまり、混合直前の2成分測定と混合後の樹脂測定が必要です。現在、ミックスヘッド前のセンサーのみで、どれだけの樹脂と硬化剤がミックスヘッドに計量投入されたかを示しています。これは認定には不十分です。」

一方Alpexは、Airbusが要求する100%適切に混合された樹脂の検証を提供するインライン品質システムの開発に取り組んでいます。「この開発当初からNetzschインモールドセンサーを使用してきました」とRittenschober氏。「今やNetzschがKistler（スイス・ヴィンタートゥール）と提携し、新技術が利用可能になりました。温度、圧力、樹脂硬化を単一センサーで監視でき、これを金型に組み込みます。」

「Alpexはインモールドセンサーを、ミックス/注入装置サプライヤーはセンサーを**彼らの**システムに入れるべきだと言います」とSchiller氏。「両方正しいです。」しかし、後者にも改善の必要があると指摘。「自動車HP-RTMでは、樹脂混合比はプロセス全体で測定されるため平均値です。しかし、私はプロセス中のすべての離散点でこの測定が必要です。注入の最後の0.5秒でも混合比が常に正しいことを知るためです。測定システムにより良い時間分解能が必要です。」Schiller氏は、ミックスヘッド前、ミックスヘッド内、**および**金型内にセンサーが必要になるだろうと示唆。「2K樹脂の航空宇宙応用評価と並行してこのQA開発に取り組んでおり、機械サプライヤーとともに十分な分解能を約束するセンサーシステムを特定しました。今年中に検証予定です。」

Alpexはまた、Aerospace & Advanced Composites（AAC、オーストリア・ウィーナー・ノイシュタット）が開発した新しいハイブリッド多機能圧電センサーの試験も行っています。RTM金型**上**に配置され、金型内の樹脂流れフロントを監視する圧力センサーとして機能します。プリフォームが樹脂で含浸され硬化が始まると、インピーダンススペクトルの変化を用いてセンサーが硬化度を判定。硬化完了後、圧電センサーは部品表面で共同硬化され、音響放出センサーとしての受動モードまたはガイド超音波波を用いた能動モードで構造健全性監視に使用されます。完成部品の衝撃と損傷監視で実証済みです。

このプロセスデータは、インダストリー4.0インテリジェント生産システムで分析され、品質と効率の更なる改善ルートを特定できます。また、各部品のデジタルツインとしてプロセスデータをログ記録することも可能です。

将来の可能性

Rittenschober氏は、HP-RTM技術の唯一の真のハードルは認証だと述べます。「Airbus Helicoptersとともにこのプロセスが機能することを実証していますが、誰かがそれを認証しなければなりません。」Schiller氏も、誰が最初になるかは常にハードルだが、過去1年間で多くの部品のビジネスケースを計算してきたと同意。「年間200部品なら意味がありません。しかし、例えばA320の部品なら魅力的です。毎月A320プログラムの目標レートが上がっています。これらの部品の多くは1980年代に設計され手作業で生産されているため、HP-RTMで大幅に効率化できます。」

CTCが実証した20分の部品サイクルタイムでは、HP-RTMは電動垂直離着陸（eVTOL）航空機市場にも魅力的かもしれません。ここでの生産量上限は、エアタクシーメーカーUBERにより年間5,000機と示唆されています。

AlpexはRTM進歩の範囲を継続開発するとRittenschober氏。「HP-RTMは、CFRP航空構造のよりコスト効率よく工業化された生産におけるいくつかの課題解決に真の可能性を秘めていると信じています。」Schiller氏も同意し、ターゲットとなる多くのA320用途ではシップセットあたり多数のCFRP部品があると指摘。「したがって、より効率的なプロセスのメリットが積み重なります。最初の用途が生産に入れば、他も続くでしょう。」

高圧RTM：CFRP航空宇宙構造の効率的・コスト効率的生産