Fraunhofer IFAMがCFRP胴体フレームの自動プレアセンブリで効率化

自動化は生産効率向上の最重要戦略の一つです。「Impulse」プロジェクト（ドイツ連邦経済・エネルギー省（BMWi）資助）および「Tempo」（「CFRP胴体コンポーネントの効率的組立・生産技術」の略）サブプロジェクトにおいて、新しい位置決め・穴あけエンドエフェクターが開発されました。

このエンドエフェクターは、航空機胴体製造用CFRP一体型フレームへの補強要素（クリート）のプレアセンブリを自動化します。従来の手作業ではより多くのプロセスステップが必要でした。また、コンパクトなエンドエフェクターは標準産業用ロボットでも把持可能です。これにより、品質を維持しながらコスト削減と生産レート向上の両立が可能になります。

エアバス・ハンブルク（ドイツ）とフラウンホーファー生産技術・先端材料研究所（IFAM、シュターデ）のパートナーシップで開発されたこれらの自動化ソリューションは、実機規模プロトタイプでの準量産環境で既に検証済みです。プロジェクトは2020年に成功裏に完了しました。

CFRPフレームのプレアセンブリ

フレームは航空機胴体の横方向補強要素です。エアバスA350でのCFRP採用と革新的な一体型胴体構造により、軽量化と生産ステップ削減を実現しています。フレームの横倒れ防止には追加補強要素（クリート）が必要です。リブは最大6メートル長で、すべて幾何学的に異なるため、手作業でクリートを公差0.2ミリメートル以内で装着するには、各リブごとに特別な金型テンプレートが必要でした。これらのテンプレートは高価で使い勝手が悪く、手作業によるクリート供給とプレアセンブリには大きなばらつきが生じます。さらに、接合部品の正確な位置合わせのための広範な測定ステップも不可欠でした。

「『Tempo』プロジェクトでは、プロセスステップを自動化して期間と複雑さの両方を削減することが課題でした」とフラウンホーファーIFAMのプロジェクトマネージャー、Leander Brieskorn氏は説明します。「クリートを自動的にピックアップしてフレームに供給し、フレームとクリートをリベット接合するために両部品を貫通穴あけする必要がありました。これは新開発の高精度エンドエフェクターでフレームにクリートを装着することで達成しました。さらに、フレームを隙間なく胴体シェルに取り付けることが、シュターデの準量産胴体組立プラントで実現しました。」

位置決め・穴あけエンドエフェクター

開発された位置決め・穴あけエンドエフェクターは、異なるクリートの受け取り、異なる一体型フレームへの位置決め、両部品の同時二重穴あけというタスクを果たします。コンパクトに構築されたエンドエフェクターは、使用されるポータルシステムだけでなく標準産業用ロボットでも把持可能です。ポータルシステムは位置決め精度向上のために選択されています。一体型フレームはポータル下の支柱に張られ、複数の機械的調整オプションで空間的に配向できます。エンドエフェクターは対称ホルダーを備え、異なる向きのクリートをピックアップしてクランプできます。ばね緩衝機械ストップを使用して、各接合位置に局所精度でアプローチします。クリート補強要素が上から一体型フレーム表面に配置され、内蔵機構で両部品がクランプされている間、フレーム背面から穴あけが行われ、CFRPのほつれを防止します。吸引システムが発生した切り屑を回収します。部品穴あけ後、クリートのフレーム上の位置が確定し、クリートをフレームにリベット接合できます。

エンドエフェクターはシステムPLCで制御され、コンポーネントのインポートCADデータからグローバル位置データを取得します。新しい組立状況はレーザートラッカーを使用した迅速な上流測定で適応されます。革新的技術により信頼性の高いプロセスと高い位置決め精度を実現。コントロールパネルのスタートボタンを押す以外はすべて自動実行されます。自己説明的な画像を備えた特別に開発されたユーザーフレンドリーなオペレーターインターフェースにより、未経験の従業員でもシステム制御に迅速に慣れることができます。

クリートピックアップへの適切な修正により、エンドエフェクターは幾何学的にわずかに異なるクリートタイプも取り付け、異なるタイプの一体型フレームに精密に位置決めできます。自動装着精度は±0.1ミリメートルで、精度要件を200%上回ります。

位置決め・穴あけエンドエフェクターに統合された計測技術は、必要な接触圧力200ニュートンを正確に記録するだけでなく、クリートの一体型フレームへのプレアセンブリの最適条件監視のための多くのパラメータを記録します。これによりオンライン品質保証が保証されます。

「Tempo」サブプロジェクトでの更なるR&D作業

クリート装着済み一体型フレームは、「Tempo」サブプロジェクトでフラウンホーファーIFAMシュターデ技術センターの準量産胴体組立システムで胴体シェルに取り付けられました。一体型フレームと胴体スキンの隙間測定では、すべて0.3ミリメートル未満で、追加の隙間埋めが不要であることが示されました。

フレームのプレアセンブリ、位置決め、穴あけ用に開発されたエンドエフェクターは、取付システムを適応させることで、風力タービン、鉄道車両、商用車、自動車、造船など他業界のコンポーネント組立にも使用可能です。

3年半の期間を経て、BMWi資助の研究プロジェクト「Impuls」（「CFRP胴体コンポーネントの革新的、中期実装可能、コスト削減ソリューション」）は、サブプロジェクト「Tempo」を含めて2020年に終了しました。BMWi資助番号：20W1526F。フラウンホーファーIFAMはBMWiの資金提供に感謝します。