エンジニアリング・テーラードプリフォーム：熱可塑性複合材製造における最先端自動化

サイクルタイムとコスト削減、自動車・産業・消費財用途での複合材使用拡大を目指し、最近多くの新技術が開発されています。最も有望な開発分野の一つは、熱可塑性プリプレグテープを切断・配置してテーラードブランクを形成し、それを圧縮成形と射出オーバーモールディングで部品に変換する自動生産ラインです。この開発に活発な企業には、Airborne（オランダ、ハーグ）、Van Wees UDとCrossply Technology（オランダ、ティルブルグ）、フランスのエンジニアリング・先進製造R&T機関Cetim（ナント、フランス）があります。後者は2015年にキルティッドストラタムプロセス（QSP）を発表しました。QSPは複雑形状部品を生産ラインパルスタイム40〜90秒で製造可能です。例えばQSPを用いると、L字ビームに成形されたオメガ形状プロファイルに、1.5mm、2mm、3mm厚のオルガノシート（織布熱可塑性プリプレグ）とUDテープの13パッチを統合し、6mm厚部品を1部品あたり77秒未満のサイクルタイムで製造できます。

しかし、QSPのような自動化技術を活用するには、エンジニアが部分プライの多くの理論的組み合わせと、プライ数、厚み、位置、組成（補強タイプ、繊維配向など）の対応する変化を評価できる設計・最適化手法を開発する必要があります。このことを念頭に、Cetimは複合材構造解析、非破壊検査（NDT）、製造における経験と、航空宇宙産業で長年使用されてきた高度最適化手法の専門知識を持つONERA（フランス航空宇宙研究所）を組み合わせました。結果としてQSDというツールが生まれ、アルテアエンジニアリング（米国ミシガン州トロイ）のHyperWorks CAEソフトウェアで利用可能になりました。これは基本的に最適化アドオンで、テープ・オルガノシートベースプロセスで作られる複合部品の設計とコスト制御（生産スクラップ再利用によるゼロウェスト・クローズドループ製造を含む）を支援します。

4ステッププロセス

QSD方法論は4ステップで構成されます：構造最適化、成形解析、積層特定、設計コスト解析（図1）。各ステップは、設計者が入力材料で何ができるかを迅速にテストし、機械的・製造制約について正しい決定を下し、部品コストを制御するのに役立ちます。QSDアドオンはアルテアと共同開発され、すべてのHyperWorks OptiStructユーザーが慣れ親しんだ環境で直接使用できるようになっています。これらのユーザーは、アルテアソフトウェアでの既存社内ノウハウを活用し、新たな有限要素モデル開発なしでQSDを活用できます。

構造最適化

QSDプロセスの第一ステップでは、熱可塑性テープ材料を選択し、その特性（強度、弾性率、その他標準パラメータ）を設計者選択のデータベースまたはアルテアのMultiscale Designerデータベース（異方性熱可塑性複合材料とそのミクロメカニカルモデル）から入力します。QSDはこのデータベースとHyperWorks OptiStructを用いて「剛性マッチング」最適化を完了します。この解析結果の一部は容易にイメージしにくい（異方性剛性など）ため、QSDは直接変数フィールドや解釈結果（主要剛性方向、剛性極座標プロットなど）を含む多様な方法で複雑だが豊富なデータと対話できます（図1）。これらすべての表示は同じ機械的応答を定義しますが、ユーザー選択の好みに合わせた調整済みビューを提供します。目標は、設計者が望む部品性能達成への道筋を理解・視覚化しやすくすることです。このステップで厚みと質量を最適化でき、後者は通常金属部品比で最大50%削減可能です。

成形解析

次のステップでは、Drape Estimatorツールで部品を平坦化（3D形状から2Dシートへ変換）し、クラスタリングアルゴリズムでこのシートを自動分割することで、設計者が本質的な妥協を行えるよう支援します。目標は、フラットプリフォームと最終部品のリンク評価をよりシンプルかつ高速にすることです。図2に示す自動車ウィッシュボーンは、有限要素メッシュとOptiStruct結果に基づき元々300ゾーンに分割されていましたが、QSDで5ゾーンに削減されました。

設計者は各ゾーンのエッジを整直・平滑化し、対応するカットプライの廃棄を最小化できます。これは製造実現性向上によるコスト制御の鍵となるステップです。このステップはまた、プライと形状簡略化が部品機械的性能に与える影響を評価できる点でも興味深いです。機械的性能と部品製造性/スクラップ/コストの間で妥協が必要な場合、このステップがその評価データを提供します。

積層特定

このステップの目的は、QSDスタッキングデータベース（プライライブラリ）から選択するか、ユーザー固有データで拡張することで、各ゾーンの最適なローカル積層を決定することです。QSDツールは設計者が部品プライをスケッチし、機械的基準（局所変位、座屈係数、固有周波数など）で部品応答を評価することで、最適な積層戦略を見つけるのを支援します。

設計コスト解析

最終ステップでは、設計者が部品材料コスト（スクラップ廃棄物含む）と、プライ切断・組立による製造コストを評価できます。確かに、プライ数とプライあたり材料廃棄物が主要コストドライバーです。廃棄物の迅速評価がQSDで間もなく利用可能になり、初期設計イテレーションでの推定値を可能にします。最終イテレーションでは、各プライをエクスポートして、ユーザー好みのソフトウェアで詳細ネスティング解析を実行できます。部品コスト評価式のパラメータも設計者が必要に応じてカスタマイズ可能。 thus、設計者は様々な積層戦略を評価し、廃棄物、製造性、コスト、機械的性能を比較できます。

QSDは、テープ、織布、クロスプライオルガノシートなどあらゆる種類の半製品評価を可能にします。また、Carbon Conversions、ELG Carbon Fibre等によるリサイクル炭素繊維不織布マットや、CetimのThermosaïc技術や類似プロセスによる熱可塑性スクラップからのサーモフォーマブルシートなど、リサイクル材料も評価可能です。もちろん、そうした材料の機械的特性が必要ですが、一度決定すればQSDモジュール、最終プライライブラリ/スタッキングデータベースに容易に入力できます。このように、この部品からのスクラップをこの部品に戻して使用するゼロウェスト・クローズドループ製造が可能になります—持続可能性の観点から全複合材製造の理想的目標です。

複合材使用拡大のためのツール

QSDは設計プロセスの初期ステップに適しています。CetimのQSPプロセスだけでなく、テーラードプリフォーム作成に用いられるすべてのプロセス（自動テーププレースメント、自動切断・手積層など、自動化度合いに関わらず）にフィットするからです。設計ワークフロー早期に部品を最適化し、悪い設計選択を回避するのを支援するよう設計されています。

参考文献：

[1] 「Quilted Stratum Processを用いた複合部品の高速・コスト効率良い製造のための新規設計手法」François-Xavier Irisarri、Terence Macquart、Cédric Julien、Denis Espinassou.

著者について

Denis Espinassouは機械エンジニア兼QSDプロジェクトリーダー。2010年にフランス機械研究所Cetimに、長繊維熱可塑性複合構造物の設計・最適化スペシャリストとして入所。プロトタイプ製造と機械的検証を通じた製品開発も担当。