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グレア（GLAss REinforced Laminate [1]に由来）は、エポキシなどのマトリックスで結合されたS-2ガラス繊維プリプレグの層が点在するいくつかの非常に薄い金属層（通常はアルミニウム）で構成された繊維金属積層板（FML ）です。一方向プリプレグ層は、予測される応力条件に合わせて異なる方向に整列される場合があります。
グレアは複合材料ですが、[2]その材料特性と製造はバルクアルミニウムシートと非常に似ています。設計、製造、検査、メンテナンスに関しては、複合構造との共通点はほとんどありません。グレア部品は、主に従来の金属加工技術を使用して構築および修理されます。
従来のアルミニウムと比較した主な利点は以下のとおりです。[3]
- 特に衝撃や金属疲労において、 「損傷許容度」が優れています。弾性ひずみが他の金属材料よりも大きいため[要出典]、より多くの衝撃エネルギーを消費できます。へこみやすいですが、貫通抵抗は高くなります。
- 耐腐食性が向上。
- 耐火性が向上。
- 比重が低い。
さらに、設計および製造中に材料をカスタマイズできるため、層の数、種類、配置を航空機全体の局所的な応力と形状に適合させることができます。これにより、二重曲線セクション、複雑な統合パネル、または非常に大きなシートの製造が可能になります。
グレアで製造された単純なシートは、同等のアルミニウムシートよりも3〜10倍高価ですが、[4]前述の最適化を使用すると、かなりの生産コストを削減できます。グレアで構築された構造は、同等の金属構造よりも軽量で複雑ではなく、検査とメンテナンスの必要性が少なく、故障までの寿命が長くなります。これらの特性により、グレアは長期的に使用しても安価で軽量で安全になります。
歴史
グレアは比較的成功したFMLで、1987年にオランダのアクゾノーベル社によって特許を取得しました。 [5] [6]グレアは、2007年にエアバスA380旅客機が商業運航を開始したときに主要な応用に入りました。研究開発の多くは、1970年代から1980年代にかけてデルフト工科大学航空宇宙工学部で行われ、教授や研究者はFMLの知識を深め、外部ジョイントを必要とせずにより幅広く長いパネルを製造するスプライシング技術など、いくつかの特許を取得しました。[7]
FML の開発は、1945 年にフォッカー社で始まった長い研究の歴史を反映しています。デ・ハビランド社での初期の接着経験が、モノリシック アルミニウムと比較した接着アルミニウム積層板の特性向上に関する研究のきっかけとなりました。その後、米国航空宇宙局(NASA) は、スペース シャトルプログラムで金属部品を複合材料で強化することに興味を持ち、接着層に繊維を導入しました。こうして、FML の概念が生まれました。
フォッカーとデルフト大学[8]、オランダ航空宇宙研究所NLR、3M、アルコア、その他さまざまな企業や機関とのさらなる研究と協力により、最初のFMLであるアラミド強化アルミニウム積層板（ARALL）が誕生しました。これはアルミニウムとアラミド繊維を組み合わせたもので、1981年に特許を取得しました。[9] [10] [11]この材料にはコスト、製造、用途に関する問題がありました。引張強度は非常に高かったものの、圧縮強度、軸外荷重、周期荷重に対しては最適ではないことが判明しました。これらの問題から、アラミド繊維の代わりに ガラス繊維を使用した改良版が生まれました。
この素材の開発は、開始からエアバスA380への主要な適用まで 30 年以上かかり、その過程ではボーイング、マクドネル・ダグラス、ボンバルディア、アメリカ空軍など、多くの他の製造開発パートナーが関わってきました。[12]時が経つにつれ、企業はこの関与から撤退しましたが、数年後に戻ってくることもありました。例えば、アルコアは1995 年に撤退し、2004 年に復帰し、2010 年に再び撤退しました。これらのパートナーの一部間の意見の不一致により、ボーイングは 1993年にボーイング 777の貨物床からグレアを撤去し[13] (1995 年の航空機の就航前)、ボンバルディアは2005 年にC シリーズ航空機でグレアを使用する計画を阻止したと言われています。 [14] [12]これらの戦略的決定は、イノベーション プロセスの動的な性質を示しています。[14]
アプリケーション
グレアは航空分野で最も多く使用されています。エアバス A380 の胴体と尾翼の前縁に使用されています。1995 年、グレア製の航空機貨物コンテナが、連邦航空局(FAA) によって耐爆性が認定された最初のコンテナとなりました。この容器は、1988年にスコットランドのロッカービー上空で発生したパンアメリカン航空103便の惨事で使用されたような爆弾の爆発と炎を吸収し、無力化することができます。[15] [16]グレアは、 1998年に初めて納入されたボンバルディアリアジェット45ビジネスジェットの前部レドーム隔壁にも使用されています。[17 ] [18]この素材は、リージョナルジェットの貨物ライナーソリューションとして、[19]ロッキード マーティンC-130Jスーパーハーキュリーズ軍用輸送機のフラップの下側スキンに、[20]エアバスA400M軍用輸送機の最高荷重フレームのストラップに使用されました。[21]
品種と命名法
標準的なグレアグレードには6種類（グレア1からグレア6）あり、典型的な密度は2.38～2.52グラム/立方センチメートル（0.086～0.091ポンド/立方インチ）の範囲で、[要出典]これはS-2ガラス繊維の密度2.46～2.49 g/cm 3（0.089～0.090ポンド/立方インチ）とほぼ同じです。[22]これらの密度は2024-T3アルミニウム合金の密度2.78 g/cm 3（0.100ポンド/立方インチ）[23]よりも小さく、航空機構造では一般的なアルミニウム合金で、これらのグレアグレードの1つを除いてすべてに組み込まれています。 （Glare1 では代わりに 7475-T761 合金が使用されています。）複合材の強度は繊維の方向によって異なるため、Glare グレードは、複合材層内のプリプレグ層の数と複雑さ、および配向によって異なります。[要出典]各 Glare グレードには、層の数は同じですが繊維の配向が交互になっている A および B のバリエーションがあります。[24]標準の Glare グレードは、11 バールの圧力（11 気圧、160 psi、1,100 kPa）下で 120 °C（248 °F）で3.5 時間オートクレーブで硬化され、FM94 エポキシ プリプレグが使用されます。[25]
グレアシート 1 枚は、命名規則GLARE グレード-アルミニウム層/グラスファイバー層-アルミニウム層の厚さを使用して参照される場合があります。アルミニウム層の数は、常にグラスファイバー層の数より 1 つ多く、アルミニウム層の厚さはミリメートル単位で、0.2 ～ 0.5 mm (0.0079 ～ 0.0197 インチ、7.9 ～ 19.7 ミル) の範囲になります。(ただし、グレア 1 は、厚さ 0.3 ～ 0.4 mm (0.012 ～ 0.016 インチ、12 ～ 16 ミル) のアルミニウム層のみで構成されます。) たとえば、Glare4B-4/3-0.4は、Glare4 グレード (B バリアントを使用) のグレアシートで、4 つのアルミニウム層と 3 つのグラスファイバー層があり、各アルミニウム層の厚さは 0.4 mm (0.016 インチ、16 ミル) です。[26]（対照的に、典型的なコピー用紙の厚さは0.097mm（0.004インチ、4ミル）であるのに対し、典型的な名刺の厚さは0.234mm（0.009インチ、9ミル）である。）[27]
グレア グレードの厚さは、各プリプレグ層の公称厚さが 0.125 mm (0.0049 インチ、4.9 ミル) であり、層の数がグレア グレード番号に対して既に定義されているため、個別に指定する必要はありません。グレア グレード 1、2、3、および 6 にはガラス繊維の層が 2 つだけあるため、個々のガラス繊維層の厚さは 0.25 mm (0.0098 インチ、9.8 ミル) です。グレア 4 には層が 3 つあるため、そのガラス繊維層はそれぞれ 0.375 mm (0.0148 インチ、14.8 ミル) の厚さです。グレア 5 には層が 4 つあり、個々のガラス繊維層の厚さは 0.5 mm (0.020 インチ、20 ミル) です。[要出典]グレアシートの典型的な全体の厚さは0.85～1.95mm（0.033～0.077インチ、33～77ミル）です。[23]
アルミニウム/ガラス繊維ハイブリッドには、他にあまり一般的ではない等級や名称も存在する。より新しいクラスのグレアは、高静的強度グレア（HSSグレア）と呼ばれ、7475-T761合金を組み込み、FM906エポキシプリプレグを使用して175°C（347°F）で硬化する。HSSグレアには3つの等級（HSSグレア3、HSSグレア4A、HSSグレア4B）があり、対応する標準グレア等級の層と方向を反映している。[25]ロシアは、一時期グレアをイルクートMS-21狭胴型旅客機に組み込む予定だったが、[28]自国のグレアをSIALと呼んでいる。この名前は、ロシア語のグラスファイバーとアルミニウム/プラスチックの頭字語（С.И.А.Л.）からの翻訳である。この規格はSIAL-1からSIAL-4までの等級を定義しており、これらには通常、第2世代のロシアのアルミニウムリチウム合金1441が含まれ、密度は2.35～2.55 g/cm 3 (0.085～0.092 lb/cu in)の範囲です。[29] SIALはベリエフBe-103水陸両用水上飛行機の翼カバーに使用されています。[30]エアバスは、GlareやHSS Glareの代わりに、2024-FML、7475-FML、1441-FML [25] [31]などの接頭辞を使用して、基礎となるアルミニウム合金に基づいて材料の指定を行っています。
エアバス部品生産
グレアは、A380機1機あたり485平方メートル（5,220平方フィート）の材料に使用されています。この材料は、A380の構造の重量の3％を占めており、[3] A380の運用空虚重量（OEW）は277,000 kg（610,700ポンド、277.0 t、305.4ショートトン）です。グレアの密度は一般的なスタンドアロンアルミニウム合金と比較して10％低いため、A380でのグレアの使用により、推定で794 kg（1,750ポンド、0.794 t、0.875ショートトン）の直接的な（体積ベースの）節約が実現します。[33]これには、材料の軽量化によって生じる航空機構造全体の後続の軽量化は含まれていません。例えば、1996年にエアバスが実施した社内調査では、胴体上部にグレアを使用した場合、軽量素材だけで700kg（1,500ポンド、0.70トン、0.77ショートトン）の軽量化が見込まれるが、エンジンの小型化、着陸装置の小型化、その他のプラス面の変更による「雪だるま効果」により、合計で1,200kg（2,600ポンド、1.2トン、1.3ショートトン）の軽量化が見込まれると試算された。[34]（ただし、この重量は、グレアを機体のほとんどの部分に使用した場合、エアバスの副社長が当初主張した15,000～20,000kg（33,000～44,000ポンド、15～20トン、17～22ショートトン）の軽量化が見込まれるという数値よりはるかに小さい。 [14] [35]
グレアのより高い引張強度を利用するために、前部および後部セクションの上部胴体に469 m 2 (5,050 平方フィート) が使用されています。2000年に、せん断強度の予防措置としてグレアは中央上部胴体から削除されました(グレアのサプライヤーは、その領域を処理できると感じていましたが) [ 36] [37] 。胴体下面は、座屈に抵抗するために、より高いヤング率(剛性) 値を持つ他の材料で作られています。[3]
胴体では、ストリンガーにGlare2A 、バットストラップにGlare2B、胴体外板にGlare3とGlare4Bが使用されています。[38] A380の開発後期に、この飛行機が当初の仕様よりも重いことが判明したため、エアバスは水平安定板と垂直安定板の前縁の軽量化策として、従来のアルミニウムをGlare5に置き換えましたが、[38]多大な費用がかかりました。[4] A380のGlare胴体外板の最小厚さは1.6 mm (0.063インチ、63ミル) [31]ですが、シェルの一部の領域では最大30層のアルミニウムと29層のグラスファイバーが必要になるため、はるかに厚くすることができます。[39]
グレアは現在、GKNフォッカー社とプレミアムエアロテック社によって製造されている。GKNフォッカー社は、オランダのパペンドレヒトにある12,000平方メートル（130,000平方フィート）の工場で、 27機のA380グレア胴体シェルのうち22機を製造しており、 [40]長さ23メートル（75フィート）、直径5.5メートル（18フィート）のオートクレーブを使用している。 [41]同社は3×12メートル（9.8×39.4フィート）のシートを生産しており、[39] 5軸フライス盤でドアと窓の切り抜きをフライス加工している。[40]プレミアムエアロテック社は、ドイツのノルデンハムにあるオートクレーブで、使用可能長さ15メートル（49フィート）、内径4.5メートル（15フィート）の残りの5つの砲弾を製造しています。[40]同社はまた、A400プログラム用のGlare2Aバットストラップを製造しています。[21] 2016年時点での生産量は月200平方メートル（2,200平方フィート）でした。 [43]
エアバスが2021年にA380の生産を終了するため、[44]グレアは別の航空機製造プログラムに選ばれない限り量産されなくなる。
今後の展開
2014年頃から、エアバス、その現在のGlareサプライヤー2社、およびStelia Aerospaceは、アルミニウム製航空機用の大型胴体パネルを供給する大量自動化生産環境でGlareを製造するために協力してきました。テープ敷設などの作業にロボットを使用することで、自動化生産では、既存のプロセスでストリンガーとダブラーに対して2回目の接着とNDTサイクルが必要であったのに対し、オートクレーブでアルミニウム、プリプレグ、ストリンガー、ダブラーを同時に硬化させるシングルショット接着プロセスと、それに続く1回の非破壊検査（NDT）サイクルが含まれます。[43] [45]この材料は、ボーイング737やエアバスA320などの単通路機でアルミニウムセクションを置き換える場合と比較して、胴体の重量を15〜25％軽減すると考えられています。[46] [45]（A380の生産停止が発表される前は、[44]自動化プログラムは、A380グレアセクションの重量を350キログラム（770ポンド、0.35メートルトン、0.39ショートトン）削減し、製造コストを既存のA380グレアパネルの75％に抑えることも計画されていた。）[39]
GKN-フォッカーは、これらの単通路航空機の生産目標をサポートするために、2018年に自社の敷地内に自動化生産ラインを開設し、最大8 x 15m（26 x 49フィート）サイズのパネルを製造し、生産速度を10倍に増やすことを目標としていました。[39]プレミアムエアロテック[43]は、グレア生産能力を50倍の月間10,000m2（110,000平方フィート）に増やすことを目標に、 2018年夏に自動化テストセルを更新し、4 x 12m（13 x 39フィート）のデモンストレーターパネルを製造することを計画していました。このサイズは、エアバスが短距離および中距離航空機で使用する可能性のある最大のグレアパネルに相当します。[45] 2×6m（6.6×19.7フィート）のプロトタイプのグレア自動化プロセスは、2016年後半に技術成熟度レベル（TRL）4に達し、 [39] 2018年時点でTRL 5を超え、[47]最終的にはTRL 6を目標としています。[48]
2014年、エンブラエルは、部分的にFMLで作られ、 ERJ-145航空機の中央胴体をベースにした、直径2.2メートル（7.2フィート、2,200ミリメートル、87インチ）、長さ3メートル（9.8フィート）の技術デモンストレーターを製作し、テストしました。 [49]その後、エンブラエルはアルコニック（旧アルコア）と協力し、2524-T3アルミニウム合金のシートと一方向ガラス繊維の層を含む繊維金属ラミネートで構成された下翼スキンのデモンストレーターを製作しました。エンブラエルは、FML製造プロセスのTRLを高め、将来の構造用途に適用できるようにするために、翼デモンストレーターを製作し、テストしました。[要出典]単通路機の下翼外板は胴体外板よりも厚く、全体で少なくとも8mm（0.31インチ、310ミル）、胴体とエンジンマウントの間の厚さは10～15mm（0.39～0.59インチ、390～590ミル）です。[50]
参照
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