ロボットによるファイバー配置、3D プリントの進歩に拍車がかかる

インダストリー 4.0 によって約束された利点は、イリノイ州ロックフォードにある Ingersoll Machine Tools で実現されています。「デジタル ツイン」機械設計シミュレーション、高度なロボット知能、複雑なモーションは、ここで不可欠なツールです。これらのツールにより、大規模な金型製造、部品加工、およびプロセスの自動化が、航空宇宙、海洋、およびその他の産業部門で利用できるようになっています。

Ingersoll の販売担当副社長であるジェイソン メルチャー (Jason Melcher) は次のように述べています。 「さらに注目に値するのは、それが航空宇宙で起こっていることです。そこでは、金型と部品の生産を改善するための機械設計が、大規模なものの中で最も大きく、困難なものの中で最も困難です。」

「ここでは、プロセスインピーダンスは時間単位だけでなく分単位でも評価され、1 時間あたりのポンド単位で評価されます」と Melcher 氏は説明します。 「航空宇宙業界トップの CNC およびモーション テクノロジー プラットフォームによって将来に向けてサポートされる、より優れた製造能力が見られます。」

Ingersoll では、プロセスの改善は常に大きな課題です。長年にわたり、同社の機械、ソフトウェア、およびプロセス エンジニアは、シーメンスのエンジニアと協力して、次世代の大型機械設計を開発してきました。

しかし、Ingersoll と Siemens が真にブレークスルーを達成しようとしていることは何ですか?

現在、これら 2 つのテクノロジ企業は、顧客のエンジニアリング チームと協力して、リスクの発明、検証、軽減を行っています。彼らは大規模なコラボレーションを行っており、インテリジェントなロボットによるファイバー配置と大規模なプリント/ミル パーツの生産は、もはやビジョンではなく現実のものとなっています。

ロボットファイバー配置

航空宇宙向けの自動ファイバー配置 (AFP) の長年のプレーヤーである Ingersoll のハイエンド ロボティクスへの冒険は、自然な流れのようです。同社の目標は、ロボットによるファイバー配置を第 2 層および第 3 層の航空宇宙部品メーカーが手頃な価格で行えるようにすることです。しかし、航空宇宙市場への進出は、大規模なロボットによる位置決めの歴史的な不正確さ、機械オペレーター レベルでのロボット制御の欠如、大規模なカスタマイズされたロボットの設計と構築の高コストなど、いくつかの現実的な現実によって妨げられていました。 AFP システム。

正確なロボットのポジショニング: 近年でも大型ロボットの位置決め精度は5mm程度にとどまり、再現性も悪い。この制限に対処するために、シーメンスは強力な Sinumerik 840D sl CNC を進化させ、高度に洗練されたロボット補正ソフトウェアである Run MyRobot を組み込みました。

これにより、Ingersoll はロボティクスを新しい Robotic FP ファイバー配置マシンの設計に統合し、1 mm 未満の反復可能なロボット位置決め精度を達成することができました。ロボットの標準モーションと逆モーションの両方で精度が維持されます。

マシンでのロボット制御: Robotic FP マシンのロボット動作は、Siemens Sinumerik CNC Operate インターフェースを使用してマシンで簡単に制御できます。コントロールの直感的でグラフィカルなインターフェースは、コントロールの Sinumerik CNC プラットフォーム全体で共通です。航空宇宙産業のお客様は、3 軸から 5 軸または 6 軸のロボットに移行して多数の軸 (ターンテーブル、ターンテーブル、マンドリル、リニアレールなど）。従来のファイバー配置、ロボットによるファイバー配置、3D 印刷、ロボットによる 3D 印刷、CNC 加工プロセスのいずれを制御する場合でも、オペレーターの経験は同じです。

機械設計シミュレーション: 工作機械業界は、実際の生産に移行する前に、機械、金型、または部品のデジタル ツインを仮想的に設計、テスト、および再設計する機能を長い間期待していました。航空宇宙では、機械や部品のサイズが非常に大きいため、物理的なプロトタイプ作成に特にコストがかかります。

従来の試行錯誤によるプロトタイピングでは、時間と材料に多大な損失が生じます。これらの制約から逃れるために、Ingersoll のソフトウェア エンジニアは、プロセス エンジニアが機械、金型、または部品を仮想的に設計および開発できるようにするシミュレーション ソフトウェアを開発しました。ソフトウェアは、Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK) シミュレーション ソフトウェアをラップします。コントローラは、実際の機械で実行されるのとまったく同じように、事実上すべての加工サイクル データとツール パスを処理およびシミュレートします。Sinumerik Operate インターフェースは、この正確なデジタル ツイン シミュレーションをグラフィカルに表示します。

大規模な 3D プリントとミリング

世界最大の熱可塑性 3D プリンターは、航空宇宙エンジニアが Ingersoll Machine Tools の巨大な開発センターに入るとすぐに注目を集めます。

MasterPrint マシンの完全なサイズに適応した後、エンジニアの注目を集めているのは、プロトタイプ作成の高速化、リード タイムの短縮、および製造コストの 90% 削減の見通しです。 Ingersoll の革新は、MasterPrint 5X の開発に続きます。これは、Siemens Sinumerik 840D sl CNC プラットフォームによって再び実現される、生産性のブレークスルーをさらに高めるターンキー印刷およびフライス盤です。

Michael Falk は、メカトロニクス エンジニアであり、MasterPrint シリーズの展開において Ingersoll をサポートしてきた Siemens 販売チームのリーダーです。 Falk は、Ingersoll Development Center を訪れた航空宇宙エンジニアの反応をよく目撃しており、「5X」ファクターが大きな魅力である理由を証明できます。 「90% の確率で、3D プリントされたものはすべて仕上げ加工が必要になります」と Falk 氏は言います。 「新しい MasterPrint は、Ingersoll が開発し、Siemens がサポートする自動ヘッド交換技術を組み込んだ世界最大の部品を製造するためのターンキー オペレーションとしてまさにそれを行います。」

Falk 氏は、航空宇宙および海軍のエンジニアが Ingersoll で現在目にしているのは、かつては達成できなかったプロセス改善の目標を探求する能力であると述べています。 「2019 年 10 月、メイン大学は、実際に浮いて人を運ぶことができる長さ 25 フィートのボートを 3D プリントしたことで、3 つのギネス世界記録を受賞しました」と彼は言いました。 「注目に値するのは、それ以来、Ingersoll のエンジニアがサイズの記録を何度も上回っていることです。」

ミルプリントの効率: 大判 3D プリントに対する MasterPrint のアプローチは、増幅された速度、器用さ、および 5 軸モーションの精度を兼ね備えています。同じガントリーで、印刷、ミリング、ファイバー配置、テープ敷設、検査、トリミングなどの機能を相互作用させることができます。

あらゆる角度からの 3D プリント: Ingersoll は新しい MasterPrint 5X をリリースすると、Falk 氏は述べています。どの角度からでも印刷できるので、機械を最大限に活用できます。そのため、最も効率的なシーケンスを使用して、大規模な金型または部品を迅速に作成できるようになりました。 5 軸印刷ノズルはそれに応じて向きを変え、より複雑なパーツを印刷します。

高速同期: 「3D プリント中の同期アクションは、多くの魔法が起こる場所です」と Falk 氏は言います。 「一貫したビード形状を持つ見栄えの良い部品が得られます。角を曲がったところで必要なだけ印刷が遅くなり、最適な速度に戻ります。コーナーは埋め尽くされていません。インフィルの問題、ビードのくびれ、ツールのボイド、部品の内側に材料が蓄積することはありません。」

ロボット 3D プリント: Ingersoll は、現在 Siemens Sinumerik 840D sl CNC の重要な機能となっているロボット補正ソフトウェアである Sinumerik Run MyRobot/Direct Control を最大限に活用しています。 Ingersoll は、マシン上の CNC が同じロボットによって操作される複数のモジュールを制御できる、幅広いロボット システムを提供しています。

未来のツールセット

Jason Melcher と Michael Falk は、支援的な文化の中で探索的な質問を提起している Ingersoll Machine Tools エンジニアの間で絶え間ない熱意を目の当たりにしました。彼らは、最近大学を卒業したばかりのプロセス エンジニアが、最も高度なメカトロニクス コースでさえカバーしていないことをすばやく学んでいるラボ環境について説明しています。

Ingersoll では、エンジニアは、より優れた機械加工プロセスを発明、検証、学習、および構築するよう求められており、これを行うためのツールが与えられています。

「Siemens は、機械設計プロセスにオープンなツールボックスをもたらします」と Falk 氏は述べています。

「5 軸の Sinumerik 840D 制御、モーター、ドライブ、コンポーネントのフルセットがあります。シミュレーション ソフトウェアと、サードパーティのイノベーションへのオープンな招待状があります。 Sinumerik CNC とその仮想対応物である VNCK カーネルにより、すべてが一体となって、はるかに進化した機械加工プロセスの頭脳となります。」

Nate Haug は、Ingersoll のプロセス エンジニアです。彼は、CNC およびモーション コントロール ツールのよりオープンなセットを使用することの利点を証明する、同社の多くのインスピレーションを受けたエンジニアの 1 人です。 「シーメンスは、「G コードのみ」ベースの制御を使用するよりもはるかに多くのことを可能にするプログラミング言語から始めました」と Haug 氏は述べています。 「実際には 2 つのツールセットがあります。 1 つは、さまざまな関数と変数を使用できる Siemens 言語です。もう 1 つのツールセットを使用すると、NC の頭脳に条件付き関数を挿入できます。これらのツールセットの両方がなければ、私たちがしていることはできません。私たちは 840D をファイバー配置マシン、ロボット ファイバー配置マシン、3D プリンター、ロボット 3D プリンター、2 ヘッド、垂直、5 ヘッドの工作機械で、基本的にあらゆる構成で使用しています。」

Haug 氏によると、Ingersoll の既存の機械を改良するだけでなく、彼と仲間のエンジニアは Siemens Sinumerik CNC ツールセットを使用して、新しい機械開発への道筋を調査しています。それらの経路の 1 つは材料研究です。

「各材料には独自の流動特性があります」と Haug 氏は説明します。 「Siemens コントロールにより、コード内の機能を変更して材料を調整することができます。

CNC プラットフォームにより、より幅広い材料を調査できます。」

材料特性の質問では、強度、収縮、反り、等方性材料と異方性材料の使用などの変数を調べます。材料ソリューションは、民間、防衛、およびインフラストラクチャ アプリケーションのラピッド プロトタイピングの領域で出現します。木材資源由来のセルロースを使用したバイオベースの原料などの野心的なイニシアチブをサポートできる、独自のプリンターのコンセプトも登場します。

機械の自己監視:手動で実施される目視検査は今日でも一般的ですが、ますますデジタル化が進む生産の課題に対するアナログな答えになりつつあります。

Ingersoll は、検査が定期的に二次プロセスとして機械の機能になる日がすぐに来ると考えています。ファイバー配置機械加工プロセスは、レイアップを監視し、欠陥をチェックして、部品の精度と信頼性を保証します。同様に、ハイブリッド 3D プリント プロセスは、シームレスに統合されたプロセスのセルフモニタリングを使用して、いつの日か連続してプリントと機械加工を行うようになります。

これらの自動化された自己検査プロセスの開発は、正確な位置決めと位置フィードバックを管理するシーメンス CNC およびモーション コントロール プラットフォームによってすでにサポートされています。マシンはあらゆる差異を検出、追跡、報告できます。

Ingersoll と Siemens が実証したように、Industry 4.0 の約束された利点は今日実装されています。大型フォーマットのロボットによるファイバー配置と 3D プリントの境界が取り除かれたことで、部品製造​​プロセス全体で画期的な改善が期待されるようになりました。

Ingersoll の Jason Melcher 氏は次のように述べています。 「顧客を訪問するときは、プロセスの改善を検討するためです。これは、特徴や機能が固定されたマシンのラインカードに関するものではありません。カスタマイズされたプロセスの改善について話し合いを始めています。」

航空宇宙、海洋、およびその他の進歩的なセクターのエンジニアにとって、大規模なイノベーションは、かつてないほど無限のツールボックスを探索できるようになったことを意味します。