航空宇宙用複合材料: 種類、用途、加工ガイド

ボーイング 787 ドリームライナーは 250 人以上の乗客を乗せて 14,000 キロメートルを移動します。 その構造の重量の半分は複合材料です 。この 1 つの統計は、過去 30 年間の航空宇宙工学の変化について、どんな技術的な要約よりも詳しく教えてくれます。複合材料は航空業界に浸透しませんでした。彼らはそれを引き継いだのです。

航空宇宙グレードの部品を扱うエンジニア、調達チーム、メーカーにとって、複合材料がどのように動作するか、さらに重要なことに、複合材料が切断、穴あけ、フライス加工にどのように反応するかを理解することは、もはや必須ではありません。このガイドでは、航空宇宙用複合材料とは何か、どこで使用されているのか、機械加工が非常に難しい理由、適切なツールを使用してそれらにアプローチする方法など、全体像を説明します。

航空宇宙エンジニアが複合材料に依存する理由

航空機設計における中心的な問題は常に同じです。それは、構造重量が 1 キログラム増えるごとに、燃料、航続距離、積載量が増加するということです。アルミニウムと鋼は初期の航空の強度要件を解決しましたが、効率には上限が課せられ、その後複合材がそれを打ち破りました。

によると、 FAA の先進複合材料技術分野 、2 つ以上の構成材料から設計された複合材料は、どちらのコンポーネントも単独では達成できない特性 (強度、柔軟性、耐食性、耐熱性) を実現できます。実際には、これは航空機の重量が軽くなり、燃料の消費が少なくなり、腐食検査の頻度が少なくなるということを意味します。

実際のプログラムからの数字は驚くべきものです。エアバスの A350 XWB は 53% の炭素複合構造を採用しており、これは直接的には運航コストと燃料消費量の 25% 削減につながります。 A220 には、24% のアルミニウム - リチウム合金とともに 46% の複合材料が組み込まれています。これらは漸進的な改良ではなく、航空機のあり方の根本的な再設計を表しています。

航空宇宙用複合材料の 3 つの主要なタイプ

すべての複合材料が互換性があるわけではありません。繊維の種類ごとに異なる性能プロファイルがあり、適切な選択は、強度、重量、コスト、耐衝撃性に対するアプリケーションの要求によって異なります。

CFRP は航空宇宙構造物用途の主流を占めています なぜなら、他のどの素材もスケールに匹敵する組み合わせで剛性と軽量の両方を実現できるからです。通常直径約 7 ～ 8 マイクロメートルのカーボンファイバーはポリマーマトリックス (通常はエポキシ) に埋め込まれており、機体の質量を最小限に抑えながら大きな荷重に耐えるパネルやコンポーネントを製造します。

グラスファイバーは、究極の性能よりもコストが重要な非構造部品または半構造部品の主力製品であり続けています。ケブラーは特殊な分野を占めています。エンジン ナセルからコックピット装甲に至るまで、耐衝撃性が主な設計制約である場合はどこでも、CFRP やグラスファイバーよりも機械加工が難しいにもかかわらず、アラミド繊維がその地位を獲得しています。

マトリックス材料: それを機能させるバインダー

繊維は強度を提供します。マトリックスはすべてを所定の位置に保持し、繊維間で荷重を伝達します。マトリックス材料の選択により、複合材料が熱、化学物質への曝露、長期疲労下でどのように機能するかが決まります。

エポキシ樹脂 は、高性能航空宇宙複合材の標準マトリックスです。これらはカーボンファイバーを非常によく湿らせ、丈夫で耐薬品性の構造に硬化し、オートクレーブ製造で使用される温度と圧力のサイクル下で確実に接着します。ほぼすべての CFRP 航空宇宙構造部品 (翼桁、胴体パネル、隔壁) にはエポキシ マトリックスが使用されています。

フェノール樹脂 は、第二次世界大戦まで遡り、複合航空機で使用されていた最初の現代的なマトリックスでした。脆くて湿気を吸収しますが、耐火性と燃焼時の毒性が低いため、FAA の可燃性要件が厳しい内装パネルに永続的に選択されています。

ポリエステル樹脂 は最も低コストのオプションであり、世界中で最も広く使用されているマトリックスですが、航空宇宙構造物用途ではほとんど使用されません。耐薬品性が低く、可燃性が高いため、コスト管理と軽量化が主な要因となる二次構造や重要ではないコンポーネントに使用されます。

新興の 4 番目のカテゴリーである熱可塑性マトリックス (PEEK および PAEK 系ポリマーを含む) は、歯石の形を変えています。熱硬化性樹脂とは異なり、熱可塑性プラスチックは再溶解および再形成が可能なため、溶接接合、リサイクルが可能になり、生産サイクルが大幅に短縮されます。 PEEK マトリックス複合材料は、同等の金属と同等またはそれを超える剛性を保ちながら、同等の金属より最大 70% 軽量化することができ、熱硬化性樹脂の製造コストを押し上げる長いオートクレーブ硬化時間を必要とせずに加工できます。

現代の航空機における構造的応用

複合材は二次フェアリングから機体の最も負荷が重要な部分に移行しました。この進歩には数十年かかりましたが、現在の世代の民間航空機では、複合材料が専門的な代替品ではなく、デフォルトの構造材料として扱われています。

• ウィングとウィングボックス: あらゆる航空機の主な荷重経路である 787 や A350 のようなプログラムの翼には、何千もの留め具を排除した一体型複合材バレル セクションが使用され、重量と潜在的な疲労開始部位の両方が軽減されます。
• 胴体セクション: フル CFRP 胴体バレルにより、特定の構造重量に対してより大きなキャビン断面積が可能になり、より高いキャビン圧力差が可能になります。これが、787 がアルミニウム胴体の航空機に一般的な 8,000 フィートのキャビン高度ではなく、6,000 フィートのキャビン高度を維持できる理由です。
• コントロールサーフェス: エルロン、エレベーター、ラダー、スポイラーは最も初期の複合用途の 1 つであり、現在ではほぼ普遍的に使用されています。ここで節約された重量はさらに大きくなります。より軽い操舵面にはより小型のアクチュエータが必要となり、油圧システムの重量が軽減され、節約効果がさらに高まります。
• エンジンナセルと逆推力装置: タービン排気付近の熱負荷により、初期の複合材料の使用はカーボンフェノール系に向けて推進されました。最新のナセルは、ポリマーマトリックス材料を破壊する温度に耐えることができる、最も高温のセクションに高度なセラミックマトリックス複合材料を使用しています。
• 内部構造: フロアパネル、頭上の収納棚、調理室、洗面所にはグラスファイバーとフェノール樹脂の複合材料が使用されており、火災、煙、毒性の規制を満たしつつ、キャビンの重量を低く抑えています。
• 宇宙および防衛用途: 衛星構造、熱シールド、および探査機コンポーネントには、-180 °C ～ 200 °C の範囲の熱サイクルに耐えるように特別に設計された高温エポキシおよびシアン酸エステル システムが使用されています。

機械加工の課題: 複合材料は金属よりも切断が難しい理由

航空宇宙用複合材料には、従来の金属加工とは異なる機械加工の問題があります。故障モードも工具の摩耗パターンも異なり、許容誤差はかなり低くなります。剥離した複合パネルは単純に溶接したり再鋳造したりすることはできません。

中心的な問題は異方性です。金属は均質です。アルミニウムを切断する超硬エンドミルは、どの方向でもほぼ同じ抵抗にさらされます。 CFRP は特定の方向に配向した繊維の層状構造であり、各層が樹脂で接着されています。切削工具は、繊維をマトリックスから引き抜いたり、ラミネート層間に亀裂を生じさせたりすることなく、繊維をきれいに切断する必要があります。これは層間剥離と呼ばれる欠陥です。

複合加工における主な故障モードは次のとおりです。

• 層間剥離: 穴あけ中の過剰なスラスト力により、入口と出口でラミネート層が分離します。剥離が始まると、サービス負荷の下で剥離が広がり、通常はコンポーネントが使用できなくなります。
• ファイバー引き出し: 鈍い刃先や刃先の一致が不十分な刃先は、繊維を切断するのではなく引き裂き、表面が粗く脆弱になり、疲労負荷がかかると破損します。
• マトリックスクレーター: 不適切な切りくず排出や不適切な速度による局所的なヒートスパイクにより、樹脂マトリックスが軟化または燃焼し、層間せん断強度を低下させるボイドが発生する可能性があります。
• 工具の摩耗が早い: カーボンファイバーは工具のエッジを非常に摩耗させます。従来の切削速度では、コーティングされていない高速度鋼工具は数分以内に刃先の形状を失います。超硬工具でも、CFRP の比較的短い切削距離の後には、測定可能な逃げ面摩耗が見られます。

混合材料の航空宇宙構造物（CFRP パネルとチタン製ファスナーのボスやアルミニウムのリブが接合する場所）を作業するチームにとって、機械加工の課題はさらに複雑になります。弊社を参照してください。 切削工具の選択と材料の最適化に関するガイド と私たちの専用リソース 航空宇宙用途におけるチタンの切断技術 これらの資料が紹介する補完的な課題のために。

航空宇宙用複合部品向けの切削工具戦略

複合加工の成功は、工具形状、基板材料、切削パラメータという 3 つの変数によって決まります。どれか一つでも間違えると、層間剥離や繊維の引き抜き不良が発生する傾向があり、複合部品の再加工や廃棄にコストがかかることになります。

ツール基板: 固体炭化タングステンは、航空宇宙用複合材の加工に最低限許容される基材です。 HSS ツールは、研磨性の高い炭素繊維に対して摩耗が早すぎて、繊維をきれいに切断するために必要な刃先の形状を維持できません。より微細な粒子の炭化物グレード (通常はサブミクロン) は、エッジの保持力を向上させ、繊維の抜けの原因となるマイクロチッピングを防止します。私たちの 高硬度、高速加工向けに設計された超硬ソリッドエンドミル は、まさにこの種の基板上に構築されており、研磨材システム用に最適化されたエッジ処理が施されています。

穴あけ用のドリル形状: 標準のツイストドリル形状は、入口側の層間剥離を促進する高い軸方向推力を生成します。特にCFRPの場合、鋭い二次切れ刃を備えたブラッドポイントまたはダガースタイルのドリル形状は、一次切れ刃が穴に到達する前に穴の周囲で繊維をせん断し、ブレークスルーの臨界瞬間におけるスラスト力を大幅に低減します。私たちの 要求の厳しい材料の穴あけ用の精密超硬ドリルビット 複合スタックが存在する入口と出口の課題に適したジオメトリ プロファイルを使用します。

トリミングおよびプロファイリング用のエンドミル形状: 圧縮ルーター (上向きと下向きの螺旋セクションを備えたツール) は、CFRP パネルのトリミングに最適です。これは、対向する螺旋角度によってファイバーの上面と下面の両方で同時に圧縮状態が維持され、エッジのほつれが防止されるためです。複合パネルに隣接するチタン強化ファスナー領域の場合、 チタン合金専用フライス 適切なすくい角により切りくずの薄化を維持し、Ti-6Al-4V の工具寿命を損なう加工硬化を防ぎます。

切断パラメータ: 一般原理は、高速、刃当りの低送り、クーラントなし (または制御されたエアブラストのみ) です。水ベースの冷却剤は切断端の複合マトリックスに吸収される可能性があり、時間の経過とともに寸法が不安定になります。逆説的ですが、CFRP フライス加工では金属切削ほど熱は問題になりません。炭素繊維の繊維軸に沿った熱伝導率は高く、切りくずの負荷が小さく保たれていれば切りくずは効果的に熱を運び去ります。

将来の方向性: 熱可塑性プラスチックと持続可能な複合材料

航空宇宙用複合材料の次の波はすでに実験室から生産現場に移りつつあります。 2 つのトレンドが、今後 10 年間の航空宇宙用複合材料のあり方を再構築しています。

熱可塑性複合材料 商業的に最も重要な変化を表しています。熱硬化性樹脂ベースの CFRP では長いオートクレーブ硬化サイクルが必要ですが、多くの場合、高温高圧下で数時間単位で測定されますが、PEEK や PAEK ベースの複合材などの熱可塑性マトリックス システムは数分で強化でき、ボルト締めではなく溶接でき、原則として寿命が来たらリサイクルできます。エアバスはすでに熱可塑性複合材をA220の生産に投入しており、2010年後半に予想される次世代狭胴機プラットフォーム全体での採用拡大が見込まれている。

機械加工への影響は重大です。熱可塑性複合材料は、室温では熱硬化性樹脂よりも靭性が高く、工具の切れ味が低下すると切断面に汚れがつきやすくなります。どちらかと言えば、エッジ処理の要件はエポキシベースのシステムよりも厳しいため、汎用の代替品よりも高級な超硬ソリッド工具の方がよいという主張が強化されます。

持続可能な生物由来の複合材料 研究プログラムから早期認証の取り組みに移行しています。ハイブリッド セラミックとポリマーの構造、再生炭素繊維プリフォーム、天然繊維強化材 (亜麻、玄武岩) は、一次構造より認証基準が低い内装および二次構造用途で評価されています。推進要因は 2 つあります。それは、耐用年数を経た複合廃棄物を削減するという規制の圧力と、航空機の調達基準にますます組み込まれる炭素会計要件です。

メーカーにとって実際的な意味は、複合材料の多様性は減少するのではなく増加するということです。 787 時代に業界に貢献した単一戦略アプローチ (エポキシ/CFRP、オートクレーブ硬化、ダイヤモンドコーティングされた超硬ドリル) は、熱可塑性プラスチック、ハイブリッド レイアップ、および新しいファイバー アーキテクチャに対応するために拡張する必要があります。 複合システムが多様化するにつれ、ツールの柔軟性と基板の品質は、それ以下ではなく、さらに重要になります。