複合材ドローンがドローン技術に革命をもたらす

変化、いや急速な変化。これが現在の無人航空機（UAV）設計・製造の状況を最もよく表しています。大きな変化の一つは用語です。UAVは今や「ドローン」と呼ばれ、かつてはほぼ専ら軍事ミッションに限定されていたドローン技術が、限定的な定義を打ち破り、最先端の産業用、商用、コンシューマー用途へと広がっています。地上の人間による操縦に限定されなくなり、ドローンは自律技術の運命、それが何であるか、どう使えるかをも形作りつつあります。

注目分野：通信と自動化のためのドローン

ドローンへの複合材採用の大きな約束の一つは、広域Wi-Fiインターネット・アクセスを提供する持続的・長時間飛行システムのイネーブラーとなることです。理想的には、このようなドローンは太陽光発電で駆動し、数平方マイルの陸域に数週間途切れることなくインターネット・アクセスを提供できます。この技術を追求するプログラムは少なくとも2つあり、結果は有望ながらも混在しています。

一つはソーシャルメディア大手フェイスブック（カリフォルニア州メンロパーク）、もう一つはマサチューセッツ工科大学（MIT、マサチューセッツ州ケンブリッジ）の成果です。両者ともプロトタイプを製作・飛行させ、画期的な新設計で、必然的に高度複合材の利点を最大化し、前例のないUAV飛行時間の達成を目指しています。

フェイスブック「アクイラ」

2014年から開発中のフェイスブック「アクイラ」（図1）は、全炭素繊維複合材、太陽光発電、4プロペラのドローンで、これまで2回の試験飛行を実施。2016年は高度305m以下で96分、昨年は約106分飛行し高度914.4mに到達。アクイラの目標顧客層は、世界中の信頼できるオンライン・アクセスを持たない「数十億人」。この膨大な地理的規模ゆえ、ドローンは非常に長い無着陸飛行が可能でなければならず、それがアクイラの飛行性能と設計パラメータに深く影響します。フェイスブックは、高度60,000〜90,000フィート（18,290〜27,430m）で「数ヶ月間」の連続飛行が可能な無人機を建造・打ち上げる必要があります。この高度では約60平方マイルのWi-Fiカバレッジが可能。技術が完成すれば、マーク・ザッカーバーグCEOはドローン艦隊の構築を意図しています。

複合材業界にとって潜在的に好ましいニュースですが、フェイスブックはアクイラやその構築に用いられた炭素繊維材料・ラミネートについて、詳細なエンジニアリング情報をほとんど公開していません。CWが得た情報では、試験飛行版の「翼幅はボーイング737より広い」ため、約110フィート（±34m）の範囲にあります。従来の着陸装置による余分な重量と抗力を排除し、アクイラはモーター・ポッド底部に接着されたケブラー製「着陸パッド」を装備。重量は約1,000ポンド（454kg）で、その約半分がバッテリーです。ザッカーバーグ氏は、ドローンをさらに軽量化する必要があると明言しています。

向かい風飛行時、ドローンは設計上、地速わずか10〜15mphで飛行し、信号を受信する対象エリアの上空に留まります。通信システムはレーザーでデータ転送を行い、地上光ファイバーの約10倍高速。最近飛行した第2版では、翼に塗布された未指定のコーティング材料が「より滑らかな仕上げ」を生み、上昇率を初号機比2倍の54.9m/分に向上させたとされます。しかし、太陽光発電のみでアクイラの野心的な飛行時間目標が達成可能かは未知数。プロジェクトの次のフェーズでの主な課題は、フェイスブックのアクイラ・サイト投稿によれば、太陽電池効率、バッテリー貯蔵、運用コスト・パラダイムの許容です。フェイスブックは、「異なるフォーム・ファクター、サイズ、重量のドローン」を含むテスト・プログラム拡大と、より高高度での試験飛行を次ラウンドで計画しています。

MIT「ジャングル・ホーク・アウル」

一方、MITエンジニア・チームが設計・製作・試験したUAVは、翼幅24フィート（7.32m）、炭素繊維とケブラーで強化された複合材のみで構築（図2）。「ジャングル・ホーク・アウル」と名付けられたこのUAV開発プロジェクトは、米空軍（ゲートウェイ・ブランチ、AFLCMC/HNAG、マサチューセッツ州ベッドフォード、ハンスコム空軍基地）の資金提供を受け、目標はフェイスブックのアクイラより控えめです。高緯度・低緯度、全季節、高度約4,572mで5日以上滞空可能なドローンを建造し、広域停電やサービス停止時に大面積で一時的なインターネット/電話接続を提供する通信ハブとして機能させることです。

ドローン設計はグライダーを模倣し、典型的な薄い空力プロファイルを持ちます。昨年試験飛行された初のフル・スケール版は、最大高度122m、翼厚42.4mmから20.8mmへテーパー、全備空虚重量わずか12.7kg。航空機と自動車ルーフ・トップ発射システムへの微調整完了後、通信機器と燃料を含む最大45.4kgのフル・ペイロードを搭載した高高度飛行試験が今夏予定されています。

MIT航空宇宙学教授で学生研究を監督する一人、ジョン・ハンスマン氏（MITリンカーン研究所（マサチューセッツ州レキシントン）との共同研究）によると、翼は2段階プロセスで成形されたコア・サンドイッチ構造。必要な空力精度を達成するため、翼上面スキンを、翼長方向に対して90°配向の単方向炭素繊維ファブリック1プライで、真空インフュージョンにより別個に成形。下面スキンは、厚みの異なるスパー・キャップを単方向ファブリックで成形し金型に配置。スチロール・フォームをスパー・キャップ周囲と間に配置し、下面スキンを真空バッグで構造物に押し付け成形。上面スキンを下面に合わせ、12Kトウで巻き付け。すべてのファブリックをウェスト・システムズ105（低粘度エポキシ、ゴージェン・ブロス製、ミシガン州ベイ・シティ）でインフュージョン。すべての金型はCNC加工されたレンシェイプ440ポリウレタン・フォーム（フリーマン・マニュファクチャリング＆サプライ製、オハイオ州エイボン）から作られました。

胴体（ガソリンエンジン（サイド・ストーリー「ドローン：MITソフトウェアが太陽光発電UAVに疑問を投げかける」参照）と燃料タンクを収容）製作には、シンプルな円筒形コンクリート・金型を使用。内径に単方向ファブリック2プライ（90°と45°）を積層し、チューブを貫通・周囲するトロイダル真空バッグで真空インフュージョン。ラミネート外層をチューブ内壁に押し付け。ノーズコーン（通信電子機器収容）は、外部円錐形金型をフォームから2分割でCNC加工。結合済み金型半分に0°ケブラー・ファブリック1層を積層し真空インフュージョン。

ドローン：産業分野の新たなプレーヤー

ドローンは産業分野で影響力を増しており、作業員やロボットを含む従来機械ではアクセスが困難で高コストな空中領域へ到達できます。

将来性が極めて大きい用途の一つが、経年劣化した風力タービン・ブレードの安全点検。軍事監視用カメラ搭載UAVはドローン技術の初期用途の一つでした。今日、特殊カメラを搭載し、極めて高度なソフトウェアで自律運用されるドローンは、巨大風力タービンのローター・ブレードをわずか15分で検査可能です（人間による検査は丸一日かかる）。損傷の視覚的証拠をウェブ・ポータルに転送し、快適な環境で検査官が画面確認できます。CWはこの成長するドローン・ベースのビジネス現象を5月号で取り上げました（「サービス＆修理：風力発電のグリッド影響最適化」参照）。

シュトゥットガルト大学（ドイツ・シュトゥットガルト）建築構造研究所と計算設計研究所の研究グループが、ドローンと産業用ロボットを組み合わせたファイバー・ワインディング・プロセスによる長スパン複合材構造物製造の斬新で巧妙な手法を実証。「協調ワインディング」と名付けられたこの手法は、2台の定置型産業用ロボットと、カスタム製軽量ドローン/UAV「ゴー・ビトウィーン（仲介役）」を用い、ロボット間の隙間空間で長スパン構造物を製造します。簡単に言えば、製造レイアウトが両機械の長所を活かす有利な分業を確立。ロボットが樹脂含浸ロービングをワインディング・フレーム上で精密配置する一方、ドローンがスプールから各ロボット・アームへ繊維を運搬し、ロボット・エンド・エフェクタのリーチ包絡による部品サイズ制限を回避します。これまで、ロボットのリーチを超える大型部品製造の主な代替案はモジュール化による製造でしたが、これは特に荷重支持構造の場合、理想的ではありません。

このプロジェクトは同大学の8名の研究者によるもので、「マルチ・マシン・ファブリケーション」と題する論文が、インテリア建築と空間デザインのジャーナル「Acadia」2017年11月号に掲載されています。ワークセルは、鋼製延長部、UAVからワインディング・エフェクターを把持する油圧グリッパー、ロボット位置とUAVを同期させる赤外線カメラを備えた2台の6軸KUKA（ドイツ・アウクスブルク）KR 210 R3100 Ultraロボットで構成。押出し・圧延用途のテンション・デバイスベースのカスタム・テンション・メカニズムで、繊維源からUAVまたはロボットへ渡される繊維テンションを制御。

プロジェクト研究者の一人ジェームズ・ソリー氏によれば、カスタム製ドローンの最終設計は、設計プロセスでドローンの重量を最適化し飛行挙動を安定化させた4つの先行プロトタイプから導かれたもの。ドローン本体部品は標準炭素プレートから機械加工、アームは20mm炭素チューブ製。コネクタ、スペーサー等の小型部品はポリ乳酸（PLA）で3Dプリント。ドローン寸法は約92×92×31cm、ペイロード約2kg。

単一アンカー・ポイントをワインディングするには、ロボット・アームが含浸繊維をラミネート上方に保持しながらワインディング・フレームを周回。アンカー・ポイント到達で繊維を巻き付け、ワインディング・エフェクターをUAV待機中の着陸プラットフォームへ戻す。交換確認後、テンション・メカニズムを低テンションに切り替え、ドローンが次のロボット・プラットフォームへ繊維を繰り出しながら運搬。研究者らはこのロボット・ドローン・セルで、従来の自動ファイバー・ワインディング・セットアップでは製造不可能な形状・サイズの例として、12m長のデモンストレーター・カンチレバーを製造（図4）。部品は単端連続ガラス・ロービングSE1500-2400tex（ランゲ＋リッター社製、ドイツ・ガーリンゲン）とシグラフィル連続炭素繊維トウCT50-4.0/240-E100（SGLテクノロジーズ製、ドイツ・ヴィースバーデン）で構成。繊維はエピコートMGS LR 135エポキシ樹脂（エピキュアMGS LH 138硬化剤配合、ヘキシオン製、オハイオ州コロンバス）で予備含浸、およびファイバー・ディップ・レジン・バスで現場含浸したドライ・ファイバーを使用。ソリー氏によれば、このプロセスは水平構造で垂直支柱間に長いスパンを持つもの（舞踏場屋根、歩道橋等）に最適で、自重軽減により材料使用量とコストの大幅削減が期待できる。同氏らは、7月16〜20日ボストンで開催される国際シェル・空間構造学会（IASS 2018）でプロセスと応用について発表予定。

別の産業関連プロジェクトでは、MITメディア・ラボ研究チームが、ドローンを用いた倉庫在庫の位置特定と識別（RFIDタグ利用）を研究。現代の倉庫・出荷業務の規模拡大に伴う在庫会計改善の必要性は以前から認識されていました。手動スキャンは労働集約的、高コスト、エラー多発。ウォルマートは2013年、在庫記録と実在庫の不一致で30億ドル以上の収益損失を報告。

MITチームは、人間と近接使用が承認されている唯一のタイプである柔軟プラスチック・ローターを持つ小型軽量ドローンが、数十メートル先からRFIDタグを読み取り、平均誤差約19cmでタグ位置を特定できるプロトタイプを開発成功。

研究に使用された「ビバップ2」ドローンはパロット社（フランス・パリ）製。写真撮影等の用途向けに低振動設計。胴体はガラス充填グリラミドTRナイロン（EMSケミー製、スイス・ドマ/エムス）。各機約500g、自律飛行約25分。人近くで使用承認済みだが、数cm以上の範囲を持つRFIDリーダーを搭載するには小さすぎる。代わりに——ここが研究の鍵——ドローンを用いて、標準RFIDリーダーから発信される信号をRFIDタグへ中継。信号がタグに到達すると、タグが識別子を信号にエンコードしドローンへ返送。ドローンがリーダーへ転送、リーダーが識別子をデコードし、アイテムとその位置を特定。チームは現在、長距離での位置特定精度向上、プロセスの高速化と拡張性改善に取り組んでいます。

イノベーションが新たなドローン応用を促進

材料サプライヤー、受託3Dプリンティング・メーカー、印刷装置サプライヤーは、ドローン・メーカーからのビジネス拡大を報告し、このビジネスに対応する新製品・能力を開発中です。

クリアウォーター・コンポジッツLLC（ミネソタ州ダルース）は、産業機器、ロボティクス、航空宇宙、スポーツ用品、UAVメーカー向けに炭素繊維チューブとプレートを供給。チューブは多様な形状で、主に単方向炭素繊維エポキシ・プレプレグをマンドレルにロール・ラッピング、250℃で硬化。標準、高、超高弾性率グレードがあり、後者はピッチ繊維製。プレートは同様の材料で圧縮成形または真空インフュージョンにより、最大1.2×2.4mシートで多様な厚みで製造。ジェフ・エングブレヒト社長によれば、UAV顧客は通常北米拠点の上位産業・航空宇宙用途向けUAV設計・製造企業。

クリアウォーターは、あるUAV/ドローン設計・製造顧客に、カスタム・テーパー薄肉（0.03インチ/0.76mm）チューブを供給。東レ（東京）製高弾性率M46J炭素繊維使用。一端が円形、他端が楕円形にテーパーする形状で、未公開の新用途向け。

ストラタス・エアロノーティクス（カナダ・BC州バーナビー）は、科学研究、鉱業、軍事等での磁気・航空測量用ドローンを主力製造。固定翼とマルチローター両構成で設計・製造され、有人機比で大幅なコスト優位性を提供。

同社固定翼「ベンチャラー」UAV（図5）は、小型軽量機で、100cc 2ストローク・ガス・エンジン搭載、長時間（10時間超）ミッション可能（有人機では不可能）。機体は炭素繊維プレプレグで成形、翼はフォーム・コア付きセミ・モノコック、胴体はコアなしモノコック。

同社CTOカーティス・マレン氏によれば、新型電動マルチローターUAVの設計・試験がほぼ完了。全長3m、重量約15kg、電子機器以外はすべて炭素繊維複合材製。「シャーシはCNCルーティング炭素プレート製の自己整列型モノコック構造。局所荷重に応じて繊維配向と弾性率を変えたチューブラー炭素が残りの構造を構成。」CW7月プレス時点で、6/7月完成・飛行試験、2018年後半市場投入予定。

ドローンと3Dプリンティングの融合

ドローン技術の急速な発展を踏まえれば、ドローン・ビルダーが複合材の付加製造を推進しているのは当然です。ドローン設計者は、大型3Dプリンターを当初想定されたラピッド・プロトタイピングだけでなく、プロセス進化に伴い工具と完成部品にも活用し、ドローンOEMが要求する短納期に対応しています。

インポッシブル・オブジェクツ（イリノイ州ノースブルック）は最近、オーロラ・フライト・サイエンシズ（バージニア州マナサス）と提携、76×38mmのリア・スタビライザー・マウントを、高密度ポリエチレン（HDPE）に25.4mmチョップド炭素繊維を強化した材料で、同社の「複合材ベース付加製造（CBAM）」技術で3Dプリント。当時開発中の新型機に取り付け、非強化ナイロン製で破損していた部品を置き換え。付加製造技術は頻繁に試作・テスト部品製造に用いられてきたが、インポッシブル・オブジェクツCEOラリー・カプラン氏によれば、現在ドローン向け部品の商用・大量生産用途を複数確保に向け作業中。詳細は未公開だが、同社開発の新規耐高温性炭素繊維/ナイロンと炭素繊維/PEEK材料が関わると報告。「強化PEEK材料を持つ唯一の複合材付加製造メーカーだ」とカプラン氏。高温耐性材料は部品と金型で需要増大中。

プリンター・サプライヤーのストラタシス（ミネソタ州エデン・プレーリー）は、材料サプライヤーと航空宇宙/ドローン・ファブリケーターと提携し、複合材部品成形用3Dプリント工具技術の継続的開発と商用化を推進。同社シニア・ディレクター（複合材ソリューション担当）ティモシー・シュニープ氏によれば、FDMマシンでほとんどの工具を2〜3日以内に製造可能、顧客は1週間以内に成形開始可能。同社高温材料「ウルテム1010」（ポリエーテルイミド（PEI）、SABIC製、マサチューセッツ州ピッツフィールド）は汎用非充填材料で、300°Fまでのオートクレーブ工具を含むすべての積層工具製造に適する。

スウィフト・エンジニアリング（カリフォルニア州サン・クレメンテ）がFDMとウルテム1010で、UAV用炭素繊維強化エポキシ・プロペラ・ブレードの圧縮成形用マッチド・ハーフ・モールドを製造。356×102×51mmの工具は30時間ビルド・タイム、手動研磨と二液エポキシでシーリング、表面粗さRa約0.4μmを達成。

ロック・ウェスト・コンポジッツ（ユタ州ウェスト・ジョーダン）がストラタシスと協力し、テスト部品成形で一部工具設計を検証。同社ビジネス開発ディレクター、エイドリアン・コーベット氏は、ドローン業界が製品により多くの3Dプリント部品を取り入れており、3Dプリント工具はエポキシ等工具材料からの機械加工工具比で明確な優位性があると指摘。「ツールをプリントする速さで部品を作れるようになる。」

要するに、新たなドローン隆盛の時代が到来し、ここにあります。幸い、複合材業界の多くにとって、今回の変化は良いものです。