ボーイング787ドリームライナー初の複合材胴体セクション、スピリット・エアロシステムズが製造

2003年、ボーイング社（米国シカゴ）が787型商用ジェット機の開発計画を発表した際、胴体、主翼、尾翼などの主要構造にアルミニウムではなく炭素繊維複合材を採用することが大きな話題となりました。ほぼ同時に、これらの主要構造の製造をグローバルなサプライヤーネットワークに委託し、各サブアッセンブリをワシントン州エバレットの最終組立ラインで結合するという決定も注目されました。サプライヤーには、三菱重工業、川崎重工業（日本）、アレニア・アエロノーティカ（イタリア）、そして米国ではスピリット・エアロシステムズが名を連ねました。

スピリット・エアロシステムズが担うセクション41

スピリット・エアロシステムズは、コックピット、コックピットウィンドシールド、2つのドア、9つの客室窓、アビオニクス、コックピットシート、配線を含む787の前部胴体全体（セクション41）の製造を担当することになりました。直径6.2m、長さ12.8mのセクション41は、機体の胴体セクションの中で最も複雑と言えます。

スピリットの歴史は1927年、航空の伝説ロイド・スターマンがカリフォルニアからウィチタにスターマン航空を移転させたことに始まります。2年後、当時ユナイテッド・エアクラフト・アンド・トランスポート社として知られていたボーイングがスターマンを買収。ボーイング・ウィチタ工場は、B-29「スーパーフォートレス」、B-47「ストラトジェット」、B-52「ストラトフォートレス」など、アメリカの歴史に残る軍用機を数多く製造しました。

2005年、ボーイングが787の製造開発を本格化させる頃には、ウィチタ工場はボーイングから売却され、スピリット・エアロシステムズと改名されていました。同社のR&DおよびManTech担当シニアディレクター、エリック・ハイン氏によると、現在、米国（カンザス、オクラホマ、ノースカロライナ）、スコットランド、フランス、マレーシアに拠点を持つスピリットは、世界最大の商用航空機製造能力を有しています。787のほか、ボーイング737、747、767、777（主に金属構造）、エアバスA320、A350（複合材多用）、A380、ボンバルディアCシリーズ、三菱MRJ、シコルスキーCH-53K（ヘリコプター）、ベルV-280（ティルトローター）の主要構造も手掛けています。2017年の売上高は70億ドル、受注残は460億ドルに達します。

一体成型の胴体構造

スピリットは787の胴体部分を、自動ファイバー/テープ積層プロセスと共硬化ストリンガーを組み合わせた一体成型（モノリシック）構造として製造しています。一方、エアバスは後にA350 XWBで、一体成型ではなく炭素繊維複合材パネルを組み合わせた胴体設計を採用しました（スピリットはA350の胴体パネルをノースカロライナ州キンストンで製造し、フランスで組み立てています）。

787の主要構造に使用される複合材は、東レ（東京）製の「Torayca 3900シリーズ」炭素繊維強化タフンドプレプレグで、中間弾性率T800S繊維を使用しています。プレプレグはUDテープ、スリットテープ（自動ファイバー/テープ積層用）、織物として供給されます。

ストリンガー製造：知的財産の核心

787の胴体設計では、ストリンガーの切断・成形と胴体外皮のファイバー積層という2つの基本的な複合材製造工程が規定されています。鍵は、ストリンガーとファイバー積層された外皮を組み合わせ、共硬化構造を実現することにあります。そのため、スピリットとボーイングは、最初の工程であるストリンガー製造に大きな重要性を置いています。

この高度に自動化されたラインでは、アメリカンGFM（バージニア州チェサピーク）製の切断テーブルがTorayca 3900シリーズプレプレグをプライに切断します。プライはキッティングテーブルに移され、上部のLAPレーザー（ケンタッキー州アーランガー）のガイドで手作業で積層され、成形準備が整います。ハイン氏は、このストリンガー製造ラインこそがセクション41製造のためにスピリットが開発した知的財産の多くを体現しており、施設運営の重要な部分だと語ります。

マンドレルへのストリンガー配置とIWWF巻き付け

成形済みストリンガーは、前部胴体セクションの形状と寸法を持つマンドレルに移されます。マンドレルは炭素繊維/ビスマレイミド（BMI）複合材製で、6セグメントからなり、各セグメントは長手方向に分割されています。各マンドレルセグメントの表面には長手方向にスロットが加工され、成形済みストリンガーが平らな底面を外側に向けて配置されます。

全ストリンガー配置後、作業員がマンドレル全体を東レコンポジットアメリカ（ワシントン州タコマ）製のインターウーブンワイヤーファブリック（IWWF）でオーバーラップ巻きします。これは787胴体全体の落雷保護を提供します。さらにプラスチックバギングフィルムで全体を覆い、IWWFとストリンガーを固定した状態で、マンドレルを手動誘導車両で次の工程（自動ファイバー積層：AFP）へ移送し、そこでフィルムを取り除きます。

大規模AFPによる外皮積層

787での複合材採用を象徴するプロセスの一つが、胴体外皮を製造するAFPシステムです。AFP自体は787計画以前から長年使用されていましたが、787ではその適用規模が新たでした。AFPで製造される複合材構造物として、787の胴体セクションほどの大きさに近いものはほぼありませんでした。

スピリットがウィチタで787生産を立ち上げた当初、AFPにはインガソール・マシンツールズ（イリノイ州ロックフォード）製の32クリールマシンが使用されていました。しかし2000年代初頭、ボーイングはオートメーション専門企業エレクトロインパクト（ワシントン州ムキルテオ）と協力し、モジュール式で交換可能なヘッドを持つ新型AFPマシンの開発を開始しました。各ヘッドには特定の作業用の炭素繊維スプールがすべて収納され、必要なテープ幅に応じて比較的容易に交換できます。

スピリットは元のインガソールマシンをバックアップとして保有していますが、主力はセクション41の外皮製造の大半を担う2台のエレクトロインパクトマシンです。各マシンは16スプールヘッド（0.25インチおよび0.50インチ幅／6.35mmおよび12.7mmトウ）を備え、協調してマンドレルに材料を積層します。マンドレルは水平にマウントされ主軸で回転し、ヘッドが両側を走査しながら、比較的短く厳密に規定されたコースでトウを配置します。工場の明るい照明の下、マンドレルにすでに積層された多角的なトウの集合を目にすることができます。

2台のエレクトロインパクトマシンが1機分の胴体外皮の全ファイバー積層を完了するまでの時間について、サンチェス氏は「非常に速い」と述べるのみで詳細は明かしませんでした。AFP操作は3人のオペレーターで管理されます。1人はマンドレルを見下ろす制御ブースで、他の2人はマンドレルの下や横をフラッシュライトを持って巡回し、プレプレグトウ表面の隙間、重なり、不均一、シワ、異物混入（FOD）などを検査します。欠陥は硬化前に修正されます。

オートクレーブ硬化と後工程

再度全面バギングを行った後、セクション41はオートクレーブへ移送されます。スピリット・ウィチタには、サーマル・イクイップメント社（カリフォルニア州ランチョ・ドミンゲス）製の大型オートクレーブが2基あります。胴体セクションは一晩かけて硬化され、その後デバッグされ、6分割のマンドレルが胴体の広い端から順に取り外されます。

その後、セクション41は完成に向けて数日間、ステーションを移動しながら作業が進みます。MTorres（スペイン・トーレス・デ・エルオルツ）製の5軸ガントリールーティング・穴あけマシン「Torresmill」で、胴体フレームや内部構造、ドア開口部、窓、前脚収納部の穴あけを行います。その後、パルスエコー非破壊検査（NDI）、塗装準備、塗装、窓ガラス取り付け、ドア取り付け、内部構造/システムの取り付けが行われます。最初に取り付けられる内部構造は円形フレーム（金属と複合材）で、ストリンガーと胴体外皮に取り付けられます。これらの工程を通じて、セクション41は作業内容に応じてキールアップまたはキールダウンの状態で各ステーションで作業されます。

取材時には約30のワークステーションが見られ、それぞれが何らかの組立状態にあるセクション41を保持していました。各セクションはウィチタを出る時点で、エバレットのボーイング最終組立ライン（FAL）で即座に統合可能な状態になっています。ボーイングは現在月産12機の787を生産しており、2019年までに月産14機体制への移行を約束しています。これはワイドボディ機としては異例の高い生産率です。

サンチェス氏は、スピリットがセクション41の製造（開発段階を含む）にほぼ10年取り組んできたため、かつて存在したバグや癖、特異性はすでに特定され解決済みだと述べ、月産14機体制への対応に問題はないとしています。

次世代を見据えたR&D

セクション41製造施設を後にし、隣の建物でスピリットの先端研究ディレクター、ピエール・ハーター氏と面会しました。かつてアダム・エアクラフト（コロラド州デンバー）やボンバルディア（カナダ・モントリオール）でエンジニアを務め、ウィチタ州立大学卒業のハーター氏は、スピリットの複合材研究開発の拠点と思しき建物へ案内しました。

セクション41の製造ラインがいかに高度であっても、そこでは10年以上前に新しかった複合材製造技術が使用されています。航空宇宙分野の認証（コストと時間の両面）と製造の現実により、スピリットのようなサプライヤーは航空機構造の製造技術を早期に決定し、プログラム期間中はそれを継続せざるを得ません。したがって、より有利な最新の複合材製造技術進歩であっても、設備や材料のアップグレード能力はしばしば制限されます。

ハーター氏の役割は、新興の複合材材料と技術を評価し、次世代航空機で採用される可能性が高いものを特定することです。787とエアバスA350が量産段階にある今、商用航空宇宙サプライチェーン全体が次の大型商用プログラムを予測し、各社がOEMから求められる知識と専門性を獲得しようとしています。

通説では、次に正式発表されるプログラムはボーイングの単通路双発「新中型市場向け航空機（NMA、または797）」で、757の後継となる見込みです。この機体は2025年頃の市場投入が予想されています。複合材採用は確実ですが、スピリットのR&Dチームの前には「どの程度？どこに？どの種類？」という疑問が残されています。答えはまだ誰も知らないため、ハーター氏とそのチームはあらゆる選択肢を評価しています。現在、スピリットで開発中の材料、設備、プロジェクトのラインナップは目を見張るものがあります。「アウト・オブ・オートクレーブ、高速RTM、熱可塑性樹脂、革新的工具、インライン検査、ファイバーステアリングなど、多様なプロジェクトに取り組んでいます。OEMが何を必要としても対応できるよう準備しています」とハーター氏は語ります。

ウィチタの複合材ラボの中核は、16スプール（0.125、0.25、0.5インチトウ）のエレクトロインパクトAFPマシンで、インライン自動検査のトレードスタディやプロトタイピングなどに活用されています。自動検査システムの目標は、先の見学で目撃したような、AFP技術者がフラッシュライトで重なり、隙間、シワ、FODを目視検査するという時間と労力を要する作業を排除することです。

スピリットは、アラインド・ビジョン（マサチューセッツ州チェルムスフォード）製の「LASERVISION」システムを評価しており、これが「真の欠陥とは何か」を再考させ、「欠陥の特性付けを再考させている」とハーター氏は述べます。このシステムは年内にも生産現場で稼働する可能性があります。

AFPシステム以外にも、スピリットでは様々な技術成熟度レベル（TRL）で多くのプロジェクトが進行中です。

• 形状記憶ポリマー工具（TRL 6）
• ヘキセル（コネチカット州スタンフォード）製「HiTape」（ドライファイバー）を用いたRTM製スパー部品（TRL 6）
• オートクレーブまたはオーブンで硬化する埋め込みセンサー付きインフュージョンスパー（TRL 4）
• ステアードAFPとホットドレープ成形で製造したフレーム（TRL 6）
• ウィチタ州立大学の大型付加製造（BAAM）マシン（シンシナティ社製、オハイオ州ハリソン）で製造した3Dプリント工具

その他の研究分野には、ステッチプリフォーム、ロボットAFP/ATL、AFPヘッドの革新があります。後者は、2016年後半にスピリットで出された「2年以内にAFP積層速度を倍増させる」という課題から生まれました。ハーター氏らはこの課題に取り組む中で、「ロボットプロセスが最適化されると、ヘッド/マシン技術の限界にぶつかる」こと、すなわちAFP速度の制約要因がファイバートウ供給効率になることを発見しました。スピリットはエレクトロインパクトおよび材料サプライヤーと協力し、総スループット向上技術の開発を進めています。

ウィチタ工場見学の最後は、材料およびコンポーネント試験エリアです。MTSシステムズ（ミネソタ州エデンプレーリー）製の15台の機械試験機（11〜50キップ能力）、環境試験チャンバー、ひずみゲージ能力、計測システム、翼構造やスラストリバーサーの実物大部品試験用ハイベイスペースなど、強力な能力を備えています（取材時にも翼構造とスラストリバーサーが応力試験中でした）。

スピリット・エアロシステムズの巨大なウィチタキャンパスを後にする頃、その充実した複合材能力を目の当たりにした者は、この主要エアロメーカーが今後10年でどのような姿を見せるのか、自然と想像を膨らませることでしょう。グローバルな航空宇宙界において、その能力の組み合わせは、おそらく比類なきものです。スピリット・エアロシステムズは、未来が何をもたらそうとも、それに対応できる態勢を整えているように見えます。