多機能熱可塑性複合材料と積層造形に基づく次世代の翼構造

出典: コンポジットワールド

航空業界では、航空機の性能、コスト、持続可能性に対する要件が高まり続けており、軽量で強度が高く、多機能な新しい翼構造の開発が最優先事項となっています。熱可塑性複合材 (TPC) は、リサイクル可能、修理可能、再処理可能であるため理想的です。しかし、熱成形や圧縮成形などの従来の TPC 製造プロセスでは、複雑な形状や多機能性を備えた構造を製造することが困難です。近年、航空宇宙分野では積層造形（AM）技術の利用が増えており、複雑な形状と多機能性を備えたTPC構造の製造に新たな可能性をもたらしています。しかし、既存の AM 技術では製造サイズ、精度、材料選択に依然として制限があり、航空業界のニーズを満たすことが困難です。

DOMMINIO (次世代多機能機体部品の製造を改良するデジタル方式) プロジェクトでは、自動繊維配置 (AFP) と 3D 印刷技術を組み合わせて多機能 TPC 構造を製造し、ライフサイクル終了時にリサイクルと再利用を可能にします。

1. 熱可塑性複合機能材料
DOMMINIO プロジェクトは、構造上の耐荷重能力だけでなく、構造健全性モニタリング (SHM) と構造分解も可能にする TPC と機能性材料の使用に重点を置いています。このプロジェクトでは、東レ・アドバンスド・コンポジッツ社の炭素繊維と、ビクトレックス社の LM PAEK ポリマーで作られた一方向テープを使用し、自動繊維配置によって高品質のラミネートを製造しました。さらに、3D プリントには 3 種類の PEKK 複合フィラメントが使用されました。

（１）構造用フィラメント：ロボットによるレーザー支援積層造形により、局所的な補強のために40％以上の連続炭素繊維を添加した市販のPEKKフィラメント。

（２）SHMフィラメント：AIMENとIMDEA Materialsは、SHM用の連続カーボンナノチューブ繊維を使用したPEKKフィラメントを共同で開発しました。

（３）分解ワイヤ：NTUAと共同で、Fe3O4、CoFe2O4、NiFe2O4などの磁性ナノ粒子を重量比2.5％～10％添加したPEKKワイヤを開発しました。

さらに、SHM 用に別の圧電抵抗材料が開発されました。センサーを製造後に取り付けるのではなく、部品に埋め込むことで、センサーを接続するケーブルの数を減らすことができ、航空機のエネルギー効率、環境への配慮、経済性が向上します。

2. AFPとFFF
AFP テクノロジーは高品質のラミネートを作成するために使用され、FFF (Fused Filament Fabrication) テクノロジーはジャイロイド設計などの強化構造を 3D プリントするために使用されます。このプロジェクトでは、AFP には東レ・アドバンスド・コンポジッツの TC 1225 テープとビクトレックスの LM PAEK ポリマーが使用され、FFF には 3 種類の異なる PEKK 複合フィラメントが使用されました。 PEKK は、特に非晶質材料または低結晶化特性として優れた印刷特性を備えており、印刷プロセス中の反りや変形を軽減するのに役立ちます。 DOMMINIO プロジェクトでは、これらの技術を組み合わせることで、部品の製造プロセスと品質を最適化しながら、複雑な形状と優れた機械的特性を備えたカスタマイズされた航空機部品を生産することができます。

図1. AFPとFFFを組み合わせてCFRP板を強化するプロセス手順。
3. FFFプロセス開発

DOMMINIO プロジェクトでは、AFP システムに類似した FFF 用のレーザー支援技術を開発しました。レーザーを使用して PAEK マトリックスを再溶融し、同時に PEKK フィラメントを堆積し、その後小さなローラーを使用して圧縮します。このシステムは、Innovation Plasturgie Composites が開発した 2 つのノズルを使用します。1 つは直径 1.75 mm の市販フィラメント用、もう 1 つは直径 1 mm 未満の連続炭素繊維強化 PEKK フィラメント用です。このプロジェクトでは、AFP プロセスにおけるオンライン監視と欠陥検出のために、ラム波 (固体材料内を伝播する音波の一種) を使用する接触センサーも開発しました。

図 2. AIMEN のデュアルエクストルーダー FFF システム。純粋な PEKK フィラメントと連続繊維強化 PEKK フィラメントを組み合わせています。出典 | AIMEN、DOMMINIO プロジェクト
4.AFPレーザースキャン<br /> 従来の静的レーザー熱源とは異なり、このシステムは、閉ループ制御システムと組み合わせ、サーマルイメージャーで監視しながら、光学反射鏡を移動させることで、50Hz の周波数でレーザー加熱領域を動的に調整できます。このスキャン技術により、レーザーはテープ全体、特にテープの端と中央の間をより均一に加熱できるため、より優れた統合が実現します。閉ループ制御システムの導入により、リアルタイムのフィードバックに基づいてレーザー出力と熱の適用を調整し、さまざまなテープ幅やラミネートの厚さの増加に対応できるようになりました。この適応制御技術は、製造プロセスを自動化と欠陥ゼロの製造環境に向けて前進させることを目指す DOMMINIO プロジェクトの重要な構成要素です。

5. 非接触オンライン検査<br /> この技術は検出にラム波を使用し、AFP ヘッドに接続されたハードウェアを介してラム波を送受信します。トランスデューサーは材料に音波を送信し、その音波は反射されて受信機に戻ります。この音波信号を分析することで、材料の密度などの情報を取得したり、空隙などの欠陥を特定したりすることができます。この非接触検査方法は、フェーズドアレイ超音波検査に似ていますが、接触媒質として水やゲルを必要としません。温度変化によって空気密度が変化し、空気中のラム波の伝播に影響するため、200°C を超える高温 AFP システムにこの技術を実装するには課題がありますが、プロジェクトチームはこのアプローチの実現可能性について初期の肯定的な洞察を得ています。

図 3. AFP ISC 中にラミネートの欠陥を検出するために DOMMINIO で開発された非接触インライン検査システム。出典 | AIMEN、DOMMINIO プロジェクト
6. 熱可塑性構造物の分解<br /> プロジェクトチームは、FFF 技術を使用して、AFP ラミネートとジャイロイドコア構造の界面に磁性ナノ粒子を充填した PEKK フィラメントを配置しました。これらの磁性ナノ粒子は、NTUA のパートナーが開発した磁場に反応し、磁気コイルを動かし、誘導加熱を使用して界面の熱可塑性ポリマーを溶かして、皮膚を補強材から分離します。この除去方法により、スキンラミネート内の炭素繊維を損傷することなく、インターフェース領域のみを選択的に加熱して再溶融することができます。このプロジェクトは、ナノ粒子と誘導コイルの相互作用を調整することで、分解用の誘導溶接に似た革新的な概念を実証し、可逆構造や円形構造を作成するための新しい可能性を提供し、これらの機能性材料に基づく将来の航空機部品の分解とリサイクルの新たな道を切り開きます。

7. 数値・認知能力の発達<br /> この方法は、さまざまな段階で生成されたデータを収集して分析することにより、パラメータ間の相互相関または関係を見つけることを目的としています。プロジェクトパートナーの ESI Group と ENSAM は、温度と圧力条件下での固化プロセスや、印刷されたジャイロイドの冷却時の熱収縮など、AFP プロセスと FFF プロセスのシミュレーションを実行しました。製造プロセス中に収集されたデータ（温度、圧力、その他のプロセスパラメータ、欠陥、品質要因など）は、部品の特性をさらに予測するために使用され、初期のシミュレーション結果と比較して、生産が期待どおりであることを確認します。さらに、組み込みの SHM システムを通じて収集されたデータは、製品のパフォーマンスを監視し、衝撃や過負荷イベントにタイムリーに対応し、修理やメンテナンス作業をガイドすることができます。これらすべてのデータはデジタル的に統合され、最適化されたコンポーネントの設計と製造をサポートします。

図4. DOMMINIOで開発されたデータ駆動型アプローチ。ソース | AIMEN、DOMMINIO プロジェクト図 5. DOMMINIO プロジェクト ATL および FFF プロセスの熱監視と、DOMMINIO デジタルスレッドによって実現されるデジタルツイン表現。出典 | AIMEN、DOMMINIO プロジェクト

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