より軽量な未来の飛行のためのレーザ技術

July, 23, 2024, Dresden--Fraunhofer IWS材料・ビーム技術研究所は、新しいエコロジカルな航空機製造コンセプトに向けて決定的な進歩を遂げた。
ドレスデンの研究者チームは、EUのプログラム「多機能胴体デモンストレータ」(MFFD)プロジェクト「Clean Sky 2」において、炭素繊維強化熱柔軟性部品構造のチップレス接合の概念実証を行った。開発された自動化プロセスアプローチは、世界最大のCFRTP航空機の胴体セグメントの上半分と下半分を結合した。穴あけやリベット打ちなどの省力化に加えて、斬新な工法とCONTIjoinプロセスにより、重量、材料、時間を大幅に削減できる。その結果、将来の民間航空機の生産は、より速く、より環境に優しく、競争力のあるものになるはずである。
この研究成果とシステム技術は、ベルリンで開催される国際航空宇宙展「ILA 2024」で発表する予定。
エアバス社が率いる国際コンソーシアムは、未来の熱柔軟性胴体の生産技術を研究している。MFFDプロジェクト内の「大型旅客機」(LPA)フレームワークプログラムでは、FraunhoferIWSのボンディングおよび繊維複合技術グループマネージャ､Dr. Maurice Langerが率いるチームがCO2レーザ光源を使用し、オートクレーブの外で大容量の熱柔軟性航空機繊維複合構造の長い接合シームの溶接を世界で初めて実証した。MFFDの左側では、FraunhoferIWSで開発されたプロセスアプローチにより、「炭素繊維強化熱柔軟性プラスチック」(CFRTP)で作られた航空機の胴体セグメントの8 x 4メートルのセクションの胴体上部半分と下部胴体半分の間の最終的な縦方向シームジョイントが実物大で製造された。いわゆる CONTIjoin プロセスは、CO2レーザ技術と非常にダイナミックなビームシェーピングにより、レーザ出力をリアルタイムで制御し、接合ゾーンの温度を一定に保つ。同時に、溶接ギャップ内のビーム形状の自動調整を可能にした。

軽量化
この革新的な技術により、従来のリベットで留められたオーバーラップジョイントのように、機械的な接合要素や材料の倍増の使用を回避する。そのため、溶接された熱柔軟性複合材料で作られた船体シェルは、従来の断面よりも大幅に軽量である。これは、高強度で溶接可能な大型部品の製造を可能にするため、新しいタイプの熱柔軟性高性能材料を使用した航空機製造における重要なステップとなる。課題となったのは、比較的高い熱たわみ温度と耐熱性を持つプラスチックであるPAEKなどの材料の加工だった。「これらの材料の従来の製造プロセスは、多くの場合、エネルギーを大量に消費し、コストがかかる｡そのため、プロジェクトパートナーのエアバス社と共同で、段付きシャフト技術を使用してオートクレーブの外側で部品を接合すると同時に、この複合材の優れた強度特性を達成できるプロセスアプローチを開発した」とDr. Langerは説明している。
従来のプロセスでは、特に高い生産率と大量の航空宇宙部品構造に関して、この点で限界がある。「新しい材料クラスには革新的な製造方法が必要だ。多機能胴体デモンストレータの宣言された目標は、胴体の重量を最大1トン減らすことだった｣(Dr. Langer)。
航空機の耐用年数にわたって、軽量化とシステムアーキテクチャの統合の改善により、全体的なエネルギー要件、燃料消費量、二酸化炭素や窒素酸化物などの大気汚染物質の排出量を大幅に削減できる。「FraunhoferIWSで開発されたCONTIjoinプロセスにより、将来の航空機開発と関連アプリケーションのための重要な経済的および生態学的一歩を踏み出すことに成功した」とDr. Maurice Langerは強調している。

レーザ溶接された航空機用ハーフシェル
チームの成功の鍵は、複数のラミネートストラップを連続して重ねて、機体の上部シェルと下部シェルを段階的に接合することだった。60mmから360mmへとステップを踏むごとに幅が広くなり、ストラップはハーフシェルの表面に段差のある形状で自動的に配置された。結果として生じるオーバーラップジョイントは、ハーフシェル間の繊維複合材料の最初に中断された力の流れを復元し、信頼性の高い荷重伝達ジョイントを形成する。「このプロセスのもう一つの特徴は、使用したCO2レーザシステムの波長である」とDr.Langerは付け加えている。CONTIjoinプロセスは、繊維複合材料の関連する熱柔軟性部分の波長が10.6µmであるため、従来使用されていた1.06µmのファイバレーザよりもレーザ放射の吸収が大幅に高いという独自の利点がある。「その結果、個々のコンポーネント間の界面に必要なエネルギーを最小限に抑え、一般的な後続プロセスステップを完全に排除することができる。」
FraunhoferIWSの技術が違いを生む
もうひとつの重要な技術部品は、ドレスデン研究所のもう一つの自社開発である「ESL2-100モジュール」。「これにより、様々なセンサ信号を処理し、それらから派生した対応する制御アルゴリズムを実装することができる」と、FraunhoferIWSの高速レーザ加工グループマネージャ､Peter Rauscherは説明している。「これにより、溶接プロセスをリアルタイムで監視し、適応的に制御する可能性がもたらされる。従来の制御電子機器では不可能だった。例えば、溶接ギャップに沿った溶接温度を制御するだけでなく、航空機のハーフシェルの位置、幅、曲率も考慮することができる。また、このセットアップは、2つの相互作用するムーブメントユニット、いわゆるエンドエフェクタで構成されていた。ストラップハンドリングエンドエフェクタのタスクは、連続堆積中に塗布されたラミネートを正確にガイドし、輪郭に忠実で幅に依存する方法で航空機のハーフシェルに押し付けることだった。2番目のエンドエフェクタは、レーザビームの誘導と接合ゾーンの温度のパイロメトリック記録を保証した。各エンドエフェクタは、ラミネートストリップのプレスによって引き起こされる可能性のある振動や変形の伝達をレーザシステムの光ビーム誘導から切り離すために、独自の直線軸システム上で他のエンドエフェクタと同期して移動した。ヒューマン・マシン・インターフェースを含むシステム全体と制御システムの概念開発と実装は、独自の開発に基づいており、レーザ光源、パイロメータ、X-Yスキャナなどの他のシステムコンポーネントには、市販の産業用コンポーネントが使用された。

次のステップ:技術準備の強化と応用分野の拡大
このように、MFFDなどの熱柔軟性繊維複合材料で作られた大型構造を使用して、プロセスの技術開発、スケーリング、および適用を実証することに成功した。次のステップは、技術準備レベル(TRL)を上げ、航空適合性の認定に向けてさらに一歩踏み出すこと。Dr. Langerは、「開発されたCONTIjoin技術は、航空機製造やその他の産業にとって魅力的である。航空だけでなく、造船、トラック、トレーラの建設、鉄道輸送、最新の風力タービンのさらなる開発などにも興味深いソリューションが期待できる」と話している｡
様々な産業において、熱柔軟性複合材料とそれに対応するプロセスの両方を受け入れ、使用するという課題がある。