AirbusとBoeingは従来のオートクレーブを使わない複合材製造法への投資を加速しており、これは次世代の単通路旅客機の生産方式を変える可能性がある。両社は共通の課題に直面している。現在の炭素繊維機体を製造する工程は、A320および737ファミリーの後継機に求められる生産速度まで拡張できない。

オートクレーブは何十年にもわたって複合材航空構造部品の生産を規定してきた。これらの大型加圧炉は、樹脂を含浸させた炭素繊維の積層材を正確な温度と圧力で硬化させ、Boeing 787やAirbus A350を可能にした高い強度対重量比を実現する。だがオートクレーブは処理速度が遅く、エネルギーを多く消費し、能力に限界がある。月間5〜10機程度のワイドボディを生産するプログラムにはこのペースで対応できるが、月間70〜100機を目標とするナローボディラインには適さない。

なぜオートクレーブがボトルネックになっているのか

787やA350向けの複合材胴体バレルは巨大なオートクレーブ内で数時間の処理を要し、その後に検査や仕上げ工程が続く。これら施設の設備投資は莫大で、各ユニットが固定されたスループットの上限を意味する。能力を増やすには、オートクレーブを増設し、建屋を拡張し、加圧や熱管理を行うための支援インフラを整備する必要がある。

AirbusとBoeingはともに、このアプローチを線形に拡大することは、次のクリーンシート・プログラムに対して経済的にも運用的にも実現可能ではないと結論づけている。Airbusは2030年代後半の就航が見込まれるA320後継機で複合構造を大きく採用する方針を公に示している。Boeingも将来の単通路置換機を検討する中で同様の圧力に直面している。

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オートクレーブ不要の代替技術

オートクレーブに代わる技術がいくつか競合している。いずれもサイクルタイムの短縮、エネルギー消費の低減、設備投資の軽減を約束するが、それぞれ技術的リスクも抱えている。

中でも熱可塑性複合材が注目を集めている。熱と圧力で化学的に硬化させる熱硬化性材料と異なり、熱可塑性は加熱で軟化し冷却で硬化する性質を持つ。この特性により部材を接合ではなく溶接でき、胴体から数千本のリベットを排除する可能性がある。AirbusはWing of Tomorrowプログラムや、この材料分野に経験のあるサプライヤーとの協業を通じて熱可塑性技術の開発を進めている。

樹脂注入成形（RTM）は別の道筋を提供する。乾燥した炭素繊維のプリフォームを閉じた金型に入れ、圧力で樹脂を注入する工程で、硬化は金型内で行われるため別途オートクレーブを必要としない。Airbusは小型の構造部品でRTMを使用しており、このプロセスが主要な胴体区画へスケールできるかを評価している。

Boeingはオートクレーブ不要のプリプレグ方式も検討してきた。そこでは樹脂含浸布が低圧の通常のオーブン内で硬化する。BoeingはBoeing Research and Technologyで関連コンセプトを実証し、かつてNASAと実施したSugar Voltやtransonic truss-braced wingプログラムでも同様の検討を行っている。

重要なのは、我々が持つすべての知見を取り入れ、それを高いレートで再現できるようにすることだと、AirbusのWing of Tomorrowプログラム責任者であるSue Partridgeは述べた。「我々はさまざまなオートクレーブ不要の選択肢や、さまざまなドライファイバーの選択肢を検討してきました。これらの決定は今後行われます。」

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方程式のもう一方は自動化

オートクレーブを排除するだけでは、両社が必要とする生産速度は達成できない。積層、検査、接合工程の自動化も同様に重要だ。自動繊維配置機はすでに複合テープを高速で敷設しているが、トリミング、ドリル加工、非破壊検査といった下流工程は依然として労働集約的だ。

熱可塑性溶接が成熟すれば、自動車の生産ラインに近い連続組立ラインを可能にするかもしれない。誘導溶接、超音波溶接、抵抗溶接などが評価されている。目標は、胴体を移動するライン上で各ステーションが数時間ではなく数分で区画を追加したり継手を仕上げたりすることだ。

プログラムのタイムラインと産業上のリスク

Airbusはその野心についてより公に語っている。メーカーはA320後継機の機体構成や材料に関する決定を2030年代後半の就航を支えるために2020年代後半までに確定する必要があると述べている。これは主要構造の認証要件を考えれば、どの複合材プロセスを選ぶにしても工業化するための猶予が約10年程度しかないという、圧縮されたスケジュールだ。

Boeingは737 MAX危機からの回復と787の品質問題に伴う納入遅延の影響で状況が複雑だ。同社は新しい単通路機の確定したタイムラインを示していないが、後継機は現行の生産パラダイムから脱却する必要があることは経営陣も認めている。BoeingがSpirit AeroSystemsを買収したことは、737や787向けの胴体区画を供給する同社に対して複合材製造の意思決定をより直接的に行える立場を与えた。

金型や材料システムを含め、オートクレーブ内でもやるべき作業は多くあると、Boeingの最高技術責任者であるLane Ballardは述べた。「我々は風力タービンや自動車業界が取り組んでいるのと同様に、両面から取り組んでいる。現在の複合材が要求するような巨大なインフラを抱えずに、どのように非常に短時間で一発合格の品質を生産する方法を考えるかだ。だから我々は両面で多くの研究をしているが、確かにオートクレーブ不要は我々が解決に興味を持っている領域の一つだ。」

両社は供給網の問題にも直面している。Toray、Hexcel、Solvayといった企業が新しいプロセスを支える炭素繊維や樹脂システムを生産している。これらサプライヤーの投資判断が、どの技術が最初に工業的成熟に達するかを左右するだろう。

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今後の展開

どちらのメーカーも単一の技術路線に公的にコミットしているわけではない。両社は並行して開発を進め、技術実証機を資金援助し、研究機関と協力してリスク低減に努めている。AirbusはドイツStadeとイングランドBristolに専用の複合材研究センターを運営している。BoeingもEverettとSt. Louisで同様の取り組みを行っている。

今後数年で下される決定が、次の30年間の旅客機製造を定義することになる。どの材料、プロセス、そして自動化の組み合わせが最初に量産対応できるかが、世紀後半に向けた民間航空機の設計テンプレートを決める可能性が高い。オートクレーブからの脱却は、複合材の主要構造導入以来の最も重要な製造上の転換の一つを意味している。