熱可塑性複合材溶接の進展：研究から商用利用へ

このブログは2018年9月特集「熱可塑性複合材の溶接」の補足です。印刷記事に収まらなかった画像と詳細、誘導溶接開発のタイムライン、将来の商用機への適用に向けた認定、修復、自動車向け開発、熱硬化性-熱可塑性（TS-TP）溶接に関する短いセクションをまとめています。

溶接TPCアセンブリのメリット

エアバスA320後部圧力隔壁の2枚の画像を比較して、なぜ溶接熱可塑性複合材（TPC）アセンブリが航空宇宙と自動車の軽量構造で注目されているかを再確認しましょう。上の画像は現在のアルミニウム版。多数のリベットに注目。下は2018年ベルリンILA航空ショーでPremium Aerotecが発表した溶接TPC実証機。リベットがありません。複合材では、ファスナーの重量・時間・コストだけでなく、穴位置決め・穴あけ・洗浄・検査の時間とコストも削減。また、荷重支持繊維を切断することによるラミネートパッドアップも不要で、より軽量な構造が可能です。

「もう一つのメリットは、溶接構造の検査が接着接合アセンブリより容易なことです」とTenCate-TorayグループのTPC材料サプライヤー、熱可塑性複合材R&D・製品開発ディレクターDr. Hans Luinge氏。「Cスキャンが良好に機能し、ラミネートにポロシティがなければ溶接は良好。接着構造ではキッシングボンドや汚染物質が検出困難です。」TenCate-Torayは溶接技術自体は開発しませんが、多様な産業・顧客プロジェクトを支援。「材料を必要に応じて最適化し、TAPASなどの長年の取り組みや、KVE Composites、TPRC、Tierサプライヤー、OEMといったパートナーとの連携に基づき、開発を正しい方向に導こうとしています。」

誘導溶接の発展

KVE Compositesは2001年からTPC誘導溶接を開発。初期用途はカーボンファイバー布/PPSラミネートで、Gulfstream G650とDassault Falcon 5Xビジネスジェットのエレベーターとラダーを含みます。

他の誘導溶接TPC用途には、Airbus A220翼（旧Bombardier CSeries）用燃料タンクアクセスドアがあり、AVIACOMP S.A.S.（フランス・Launaguet、現Sogeclairグループ傘下）が生産。（Aviacompは2017年パリ航空ショーで展示されたSTELIA溶接TPC胴体のストリンガーも生産。）

このアクセスドア類は、TPC溶接でコスト削減の機会があり、KVE Compositesが設計・製造スタディで実証。小型機でも最大60個の異形アクセスパネルがあり、通常は機械加工ハニカムコアの複合材サンドイッチ構造で製造。「溶接熱可塑性アセンブリを使えば、航空機のすべての異なるアクセスパネルを10万ドルの工具費で製造可能で、劇的なコスト削減です」とKVE CompositesマネージングディレクターHarm van Engelen氏。「コア機械加工不要、『レゴのような』コンポーネント――平板とスタンプ成形スタビライザー――を溶接して様々な形状を形成。工具も溶接治具のようなもので、現在使用されているものと比較して相対的に低コスト。航空機のすべてのアクセスパネルを単一溶接セルで製造可能。」

KVE CompositesはTPC溶接技術の開発を継続中。以下のタイムラインで示す通り、2019年に示される生産セルは、Boikon（オランダ・Leek）製Falko ATL（自動テープ積層）マシンで、GKN Fokker開発の超音波溶接エンドエフェクターを搭載。「このロボットセルは、現在使用されているピックアンドプレース法と比較して、次世代の量産TPC部品生産に向けたより効率的なプロセスと制御システムを実現します」とKVE Composites R&D責任者Maarten Labordus氏。「例えば、リージョナルジェット制御面（約60mm×3m）のスキンとリブラミネートを全自動積層し、アウトオブオートクレーブ硬化・成形工程を経て、隣接溶接セルでアセンブリを完了できます。」Falko ATLマシンは、GKN Fokkerが超音波溶接用に既に開発したクローズドループ制御も実証。「マシンは材料タイプ、厚み、形状に応じて必要なエネルギーレベルを制御可能ですが、平坦プリフォームの完全溶融圧縮は、完成TPC部品の成形時に後工程で必要です」とGKN Fokker航空構造R&T責任者Arnt Offringa氏。

認定

2017年の重要開発イニシアチブとして示された通り、TPC航空機構造物への誘導溶接プロセスの認定は継続的な優先事項です。KVE Compositesの2018年第4回熱可塑性複合材国際会議・展示会（ITHEC、10月30-31日、ドイツ・ブレーメン）での発表要旨によると、過去数年でTPC溶接はPPSやPEIのようなポリマーから、PEEK、PEKK、そしてLow Melt PAEK（LM PAEK、詳細は拙ブログ「PEEK vs. PEKK vs. PAEK...」参照）のようなハイエンドポリマーへ、また自動配置UDテープと高荷重構造用厚板ラミネートへシフトしています。これに対応し、KVE Compositesは工具・設備の改善・標準化、FEAベースシミュレーションモデルの改良を図ってきました。

これら新複合材ラミネートでの誘導溶接プロセスの成熟と認定を支援するため、KVE Compositesは単純ラップせん断とL・T字引き剥がし試験片の溶接用標準セットアップを開発。これには：

• 溶接時のラミネートへの加圧荷重を受ける剛性フレーム
• フレーム下に配置可能な下部工具ブロックで、標準パネルの再現性ある溶接を実現
• 下部工具ブロック内の膨張式マンドレル（図中の圧力ベローズ）で、一方向のみに膨張し、溶接界面に対してラミネートを特殊ヒートシンク（図中「KVE材料」）に押し付け、熱を溶接界面に閉じ込める

下部工具ブロックを交換することで、多様な標準試験片を溶接し、超音波検査後、小型試験片を切り出して機械試験可能。この標準セットアップは既に以下に導入済み：

• 熱可塑性複合材研究センター（TPRC、オランダ・Enschede）
• サウスカロライナ大学McNairセンター（米国・コロンビアSC）
• オランダ航空宇宙センター（NLR、オランダ・Marknesse）

修復

もう一つの重要開発領域は、TPC航空機構造の修復方法。「まず、認定済みで飛行実績のあるCF布/PPS構造に焦点を当てています」とLabordus氏。「プロセスは基本的に熱硬化性複合材修復と同じ：損傷材料を除去、テーパースカーフでその領域を準備、プリプレグ修復パッチを接着。Labordus氏によると、室温での熱可塑性プリプレグは硬く粘着性がなく、『形状合わせが難しい』とのこと。しかし、Airbus、Lufthansaらが開発中のロボット修復システムが解決策になると考えています。」

このようなシステムでは、計測技術でロボット機械加工されたテーパースカーフを精密に測定し、ロボットでテーパー機械加工されたプレメイドパッチを接着。「熱可塑性パッチを元構造に誘導溶接したい」とLabordus氏だが、まだ解決すべき課題がある。「部品とパッチの形状によって渦電流がどこにも形成されず、冷却や過熱領域が生じる可能性がある。KVE Compositesはこれを克服し、均一厚みと完璧な溶接でCF布/PPSラミネートの2Dリニアテーパー接合を達成。『バージン材料特性の90%以内に収まりました』とLabordus氏。」

次のステップは、スカーフエッジを持つ2つの矩形部品を溶接し、次にテーパースカーフ付き円形/楕円形穴にテーパーパッチを溶接――これは本質的に熱硬化性複合材修復で使用される方法。「これがうまくいけば、PEEKとPEKK製UDラミネートへ移行します」とLabordus氏。現場で誘導コイルを使った修復システムはまだ実証されていないが、「ラボでは可能」とのこと。もう一つの課題は、修復パッチとテーパー面の間で十分な密着圧力をどう確保するか。「現在、ラボツールでは5 barの圧力を使用。バキュームバッグのみの圧力で十分か不明だが、平坦なUD材ならバキュームバッグのみの1 barで大丈夫かもしれない。」

このKVE Compositesでの取り組みは、サウスカロライナ大学McNairセンターのSmartState多機能材料・構造センター所長Michel van Tooren氏によって拡張されています。「バキュームバッグ下で熱可塑性複合材を誘導溶接しています。これは現在、ホットボンダーとヒートブランケットで行われている現場複合材修復と非常に似ています」と説明。「バキュームバッグは、溶接される2部品の圧縮のためのソフト工具のように振る舞います。誘導電流を流し、溶融修復を実現。プロセス境界とパラメータを定義するだけで済みます。ある意味、熱硬化性修復より簡単です。なぜなら、世界の反対側でも、20年運用後でも、いつでも再溶融修復可能だからです。結果は接着結合ではなく接着力のある一体部品となるため、熱硬化性修復での接着品質判定のすべての問題を排除できます。」彼も、現在開発中の自動ロボット修復技術があれば、「誘導溶接修復は比較的容易になる」と考えています。

熱硬化性-熱可塑性溶接

Van Tooren氏は、熱硬化性と熱可塑性複合材を誘導溶接で接合することも開発中。「熱硬化性複合材に熱可塑性を導入するが、溶接したい箇所のみ」と説明。「ナノ粒子をグラフトし、少量の架橋重合を行う。その結果、熱硬化性複合材内に化学的に共溶融した熱可塑性の『島』が形成される。そこに熱可塑性を溶接できる。」繰り返しになるが、穴あけと従来の接着接合に伴う問題を回避する、複合材接合・アセンブリの代替手段がビジョンです。

自動車向け展開

熱可塑性溶接の印刷記事に登場するほぼすべての企業が、航空宇宙に加え自動車用途も視野に入れています。「溶接は複合材をアルミニウム対抗で競争力あるものにします」とGKN FokkerのOffringa氏。「自動車も溶接を接着の高速代替として検討。複合材の高速処理について複数の自動車メーカーと協議しています。」カーボンファイバー複合材車体はほぼ熱硬化性で、指定厚の接着剤で接合。「これら部品を熱可塑性複合材で製造し、コンポーネント間の隙間を溶接で排除してアセンブリできれば、より剛性の高い車体構造が実現し、重量・コスト・性能メリットが得られます。」

Composite Integrityの動的誘導溶接プロセスセットアップも紹介。STELIA Aerospaceと共同で、2017年パリ航空ショーで発表されたTP実証機のCF/PEKK UDテープストリンガーと胴体スキン接合に使用された動的誘導溶接プロセスを開発。「自動車向けに抵抗溶接を開発しました。ポリアミド[PA、ナイロン]とポリプロピレン[PP]複合材の両方で」とRaynal氏。「多様な技術があります。例えば、一方の部品に金属線を埋め込み、もう一方と接触させて通電。または、溶接界面にカーボンファイバー抵抗パッチを配置して必要な溶接熱を発生。」ある開発では、CF/PA製2部品を、同一ポリマーとガラス繊維フリースで電気絶縁し、溶接線にエネルギーを集中させる特殊設計抵抗パッチで溶接。金属インサート（自動車部品で典型的）については？「抵抗溶接なら金属インサート付き部品も問題なし。誘導溶接なら特殊設計コイルや電磁場・電流の修正で対応。開発必要だが、航空機構造自動生産で既に実証済みと類似しています。」

更なる開発とその他プロジェクト

冒頭画像について補足。これはDLR軽量生産技術センター（DLR ZLP、ドイツ・アウクスブルク）が開発した自動プロセスのCADレンダリングで、KUKA Quantec KR210産業用ロボットに超音波溶接ヘッドを搭載し、8つのTPCセクションをA320型機用後部圧力隔壁（RPB）に接合するもの。付随するTPC溶接印刷記事では、DLR ZLPが開発した抵抗溶接手法について議論しました。これは2018年ILA航空ショーで展示されたPremium AerotecのA320 RPB実証機で使用されたもの。DLR ZLPアセンブリ・接合技術グループマネージャーLars Larsen氏によると、「『溶接ブリッジ』を用いた抵抗溶接プロセスと並行して、ロボット駆動超音波溶接ヘッドも開発。関連溶接プロセスパラメータを特定する予備試験を完了し、今後数ヶ月でその超音波溶接エンドエフェクターのロボット統合を改良予定。目標は、熱可塑性複合材で作られる航空機胴体ストリンガーと後部圧力隔壁の単一産業プロセスで溶接すること。」

今回カバーできなかった他プロジェクトには、EireCompositesのYbridioとInnovaプロジェクト参加があり、溶接によるコスト削減と自動化促進の可能性を追求。同社はCF/PEEK、CF/PEKK、GF/PP複合材の誘導溶接と抵抗溶接能力を持ち、熱可塑性溶接がBombardier CSeries（現Airbus A220）翼で評価されたと報告。

Tods Aerospace（現Unitech Aerospace傘下）は、Rolls-Royce後援の国家航空宇宙技術開発プログラム（NATEP）に参加、金属埋め込みインプラントを使わない抵抗溶接技術開発を検討。TenCate-Torayと英国国立複合材センター（ブリストル）もパートナー。

今後、Laser Zentrum Hannover（LZH）の熱可塑性複合材レーザー溶接開発についても取り上げる予定です。