カーボンファイバーが空飛ぶタクシーeVTOLの未来を加速する理由

このブログは、2019年1月のWIRED誌記事への反応として書かれています。同記事は、カーボンファイバー複合材生産が、都市モビリティとエアタクシー市場向け電気自動車（EV）/垂直離着陸（VTOL）機の開発を阻害していると主張しています。この主張を議論し、潜在的に破壊的な新技術も紹介しますので、最後までお読みください。

この急速に台頭する産業を取り上げ、製造容易性を考慮した設計の必要性を指摘した著者を評価しつつも、複合材産業について十分な知識がないためか、誤解を招く記述が散見されます。例えば：

技術的には正しいものの、Airbusは2019年中盤までに月産60機のA320体制へ移行中であり、Boeingも2019年にB737で月産57機を目指しています。A320では、6.3m高のカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）垂直尾翼アセンブリを1日3機、12.45mスパンのCFRP水平尾翼アセンブリも1日3機生産することを意味します。

また、Airbusは次期A320「A320 Neo Plus」向けに、月産60-70機を目指し、複数の複合材技術を次々と認定してきました。これら技術ポートフォリオには、樹脂移動成形（RTM）、シートモールディングコンパウンド（SMC）圧縮成形、熱可塑性複合材（TPC）が含まれ、サイクルタイムは700機/年以上に十分対応可能です。最新の開発技術では、CFRP部品サイクルタイムを4時間から15分以下に短縮しています。新技術の多くは高度に自動化されており、組立手法も同様です。

自動車産業も、eVTOLが必要とする以上の大量生産への道を開いてきました（WIREDは2035年までに23,000機需要と予測）。BMWはi3とi8モデル（両方とも全CFRP乗員セル搭載）の生産を130から200台/日へ増強中であり、AudiサプライヤーのVoith CompositesはA8用CFRPリアウォールを150-300台/日で生産しています。BMW i3とi8のモジュールは、下図のAirbus Helicopters EC 135の機体フレームと非常に似ています。両メーカーともこのフレームに外装と内装部品を取り付けています。

一方、Audi A8リアウォールは、乾式カーボンファイバーテープの自動配置によるRTMで5分のサイクルタイムで製造されています。テープ長と繊維配向は特定荷重に合わせて調整され、ベースの6プライ（1.5mm厚）から局所補強が必要な箇所では19プライ（3.7mm厚）まで変化します。この単一パーツが、ドライブセルのねじり剛性の33%を、溶接アルミニウム部品3-5個のアセンブリ比50%の重量で担っています。

熱可塑性複合材（TPC）

しかし、これらの例はまだ熱可塑性技術を活用していません。これはBoeingの新型中型機（NMA）で採用が予定されており、2019年第2四半期前に発表される見込みです。熱可塑性部品は1990年代から航空機に採用されており、開発は継続中で、Airbusと欧州Tier 1サプライヤーは、統合リブ付きのより大型の主翼・胴体セクションを試作し、今年は実物大胴体デモンストレータまでスケールアップしています。熱可塑性複合材は溶接も可能で、ファスナーと接着剤の更なる削減機会をもたらします。

TPC材料と加工のサプライチェーンは過去3年間で急速に統合され、主要カーボンファイバーサプライヤーすべてが熱可塑性テープを生産し、複数社が航空宇宙と自動車用途向けに低サイクルタイムのオーバーモールディング部品を実証しています。熱可塑性溶接も複数社で実証済みです。

「オーバーモールディングによる複合材イネーブルメント、航空宇宙から自動車へ」より抜粋、CCP GransdenのScott King氏へのインタビュー：

最新技術動向

しかし、技術は2014年以来前進し、いくつかの興味深い開発が含まれるようになりました：

熱可塑性オーバーモールディング熱硬化性複合材

AZL AachenのOPTO-Lightプロジェクトで、カーボンファイバー/エポキシ複合材部品への熱可塑性複合材（TPC）リブとクリップのオーバーモールディングが実証されました。

オーバーモールディング + UD耐荷重パルトルージョン

MAI Skelettプロジェクトで、TPCパルトルージョンのオーバーモールディングを2ステップ・75秒プロセスで実証し、構造用屋根部材/ウィンドシールドフレームを製造。BMW i3部品要件をすべてクリアし、アタッチメントとクリップを統合し、クラッシュ挙動を脆性破壊から延性破壊モードへ変更することでBIW残留強度を向上させました。

プロジェクトパートナーのSGL Carbonは、PPやPA6系でのシングルマトリックスソリューション向けに適切なサイジングを施したカーボンファイバーを供給中。パルトルージョン、オルガノシート、オーバーモールディングコンパウンド、およびLightweight Applications Center（LAC、ドイツ・マイティンゲン）を通じた設計・プロセス専門知識も提供しています。

WIRED記事とその無知な主張に戻ります：

このCFRP製造手法が長年使用されてきたことは事実ですが、航空機・自動車メーカーがすでに、より自動化されたニアゼロウェイスト材料・プロセス、ファスナー排除・リサイクル性/リサイクル原料利用・修復性を実現する熱可塑性材料へ移行していることも事実です。

結局、WIRED著者は自身の論旨と矛盾します。eVTOLパイオニアのICONは、CFRP機体フレームで前進するだけでなく、より大型機の部品製造も計画しています。カーボンファイバーがeVTOLを地上に留めることはなく、むしろ巧妙なエンジニアリングで空と道路の両方で未来の幅広い車両を推進する企業において、すでに重要な役割を果たしています。これら新車両はすべて認証が必要なため、最新技術の採用は理にかなっています。

WIRED記事でBetaTechnologies CEOのKyle Clark氏が指摘した重要なポイントは：

Blue Force Technologies CEOのScott Bledsoe氏も、空力、推進、スタイリング、構造と製造チームが、設計開発の各ステップで対等の席を持つことの重要性を強調しました。

しかし、おそらく最も重要なのは、複合材製造がどこに向かっているかを常にアップデートし、将来アプリケーション開発を支援したい多数の材料・設備・技術サプライヤーとつながることです。CompositesWorldにご連絡ください。それが私たちの役割です—技術的で信頼性の高いつながりと情報を提供します。