複合材製造に革命：Addcompositesの軽量AFP-XSツール

 

「複合材製造への参入障壁を下げることが我々の目標です」とAddcomposites CEOのプラビン・ルタダ氏は言います。Addcompositesは、既存のロボットアームに取り付け可能な自動ファイバープレイスメント（AFP）ツールを開発しました。

AFP-XSは購入だけでなくリースも可能です。空荷重量6.5kgと軽量でコンパクト。「デスクトップタワー程度の箱で出荷できます」とルタダ氏。「替え刃や消耗品もレンタル費用に含まれています。」

私には、これは大きな破壊的潜在力を持ち、業界がインダストリー4.0のスマート生産ラインや工場へ進む中でほぼ避けられない流れに見えます。AirborneとSABICの提携やスウィンバーン大学のFactory 4.0 Testlabなど、すでにこのようなラインが確立されつつあります。AFPと3Dプリントの融合、単一自動システム/セルへの複数プロセス統合（AFPとフィラメントワインディング、CNC加工、レーザー表面処理・接合など）による新たな柔軟性、多機能性、スピードの実現も見られます。Addcompositesの思惑通りなら、大型・高価なAFPセルは過去のものになるかもしれません。

 

アクセシブルな複合材製造への情熱

AddcompositesのAFP-XSツールヘッドのビジョンは、CEOがインド宇宙研究機関（ISRO）で働いていた数年前に生まれました。なお、インドは複合材の最も急成長する市場の一つですが、「私が知る限り、インドにはAFPシステムがありません」とルタダ氏。「ISROでは、主に衛星や打ち上げ機用のラミネートやサンドイッチ構造の複合材製造自動化システムの入札をかけましたが、すべての回答が高すぎました。ISROは宇宙計画で成功を収めていましたが、複合材製品の大半を手積層で製造し続けていました。」

こうしてルタダ氏のアクセシブルな複合材製造への情熱が生まれました。「Addcomposites設立への道で、ファイバーワインディングマシンやプラスチック・セラミック用3Dプリントシステムを構築・導入しました。」フィンランドに移り、ヘルシンキ近郊のアールト大学で修士号を取得する際、複合材自動化をよりアクセシブルにする研究プロジェクトを開始できました。「アールトは複合材ではそれほど強くありませんが、フィンランドのオープンイノベーションエコシステムのおかげでデジタル製造には非常に強いです」と同氏は説明します。「ゼロからAFPツールヘッドの設計全体を見直し、いかにコストを抑えるかを探求できました。」

 

「我々は単純に、既存サプライヤーとは異なるアプローチで問題に取り組みました」とルタダ氏。「彼らは大型・高価なスタンドアロンセルを作りますが、我々は既存インフラ、つまりあらゆるロボットアームにプラグアンドプレイできるツールを開発しました。したがって、顧客は別のセルに投資する必要がありません。」それでもチームは航空宇宙品質を妥協しませんでした。ルタダ氏によれば、AFP-XSツールは堅牢で高品質な部品で構築されています。「主な努力をソフトウェアと制御に注ぎました。」

 

Composites 4.0のためのオープンで適応可能なエコシステム

「オフラインプログラミングソフトウェアの開発を検討し始めました」と同氏は続けます。「Dassault SystèmesやAutodeskなどと話しましたが、システムが顧客にとって高価になりすぎます。そこで、オープンソフトウェアシステムを探しました。勝者はRhino 3Dでした。『生涯ライセンス料約1,000ユーロで利用可能』とルタダ氏。『ビジュアルプログラミングも可能で、プログラム内でカスタム変更をスクリプトしやすく、例えば各機械のドメイン固有言語に基づくモーションプランの作成などが可能です。』」

「ユーザーが必要とする大半をすでに提供しようとしていますが」と同氏、「オペレーターがコントロールにアクセスし、データを取得できるようソフトウェアを設計しました。現在利用可能なAFP/ATL（自動テープ積層）ツールをロボットアームやCNCマシンのような既存モーションプラットフォームに接続・制御するのは通常かなり困難です。ATL/AFPサプライヤーは通常、ツールのIO（入出力）を制限します。しかし、我々はEtherCAT制御を採用し、ロボットアームコントローラのIOポートとツールの間を高速列車のように情報が常時流れるようにしました。データは所定のコマンドに基づき各ステーションで収集・ドロップオフされ、ロボットとAFP-XSツール間で送信される情報への完全なアクセス、フィードバック、制御を提供します。このアプローチにより、インダストリー4.0アプリケーション向けのリアルタイム制御と通信が可能になります。」

ルタダ氏は、このオープンなエコシステムが多くの柔軟性をもたらすと指摘します。「CAM（コンピュータ支援製造）に携わる誰でも、自社のロボットプラットフォームに統合できるよう、非常に高いアクセシビリティを実現しました。例えば、AFP-XSをインライン監視システムやロボットフィラメントワインダーと通信できるように適応させられます。」自動化プロバイダーは初期プレスリリース（"Addcomposites introduces plug & play AFP/ATL"参照）から提供内容を認識し、「複数のプロバイダーが連絡をくれ、自社の製造セル提供に我々のシステムを統合したいと言ってきました。」さらに重要なことは、ルタダ氏が指摘するように、「この設計により、このシステムで簡単に始めて稼働させることができます。」

AFP-XSは、Rhino 3DベースのオープンプラットフォームであるAddpathソフトウェアを使用します。
出典：Addcomposites

 

材料と仕様

AFP-XSツールヘッドは、幅5mm〜20mmのドライファイバーとプリプレグテープを処理できます。「ツールヘッドを開発するにあたり、各材料に最適化しました」とルタダ氏は説明します。「まずドライファイバーから始め、現在は熱硬化性プリプレグと低温熱可塑性プリプレグ、つまりTg 200℃以下の材料（PLA、ポリアミドなど）を扱っています。熱可塑性テープを走らせる際、インシチュコンソリデーション（ISC）を実行できるようシステムを改良中です。」同氏によれば、しばらく取り組んできたISC熱可塑性テーププロジェクトに基づき、まもなく十分なデータが得られる見込みです。「今月末にはアウトオブオートクレーブ（OOA）熱硬化性プリプレグも実行予定です。」

ツールヘッドについては、コストを抑えつつ航空宇宙品質を達成する目標で各コンポーネントを開発しました。「独自のカッターを開発しました」とルタダ氏。「多くの反復を経ましたが、極めて軽量、コンパクト、堅牢です。現在-0/+2mmの精度を達成していますが、さらに厳しい公差を目指しています。」

全コンポーネントの低重量が鍵です。「ツールヘッドの重量は10kg未満で、ユーザーがスプールに載せたいファイバー量によってのみ変わります」とAddcompositesビジネス開発マネージャーのジェームズ・クリゴスキー氏。同氏は以前Hexcelで品質エンジニアを務めていました。「これにより必要なロボットサイズを最小化し、設備コストと運用コストを削減できます。」

加熱には現在、赤外線と熱風を使用しています。「レーザーは高価すぎる上、運用・メンテナンスコストも高いため使用していません」とクリゴスキー氏。これが高温熱可塑性樹脂がまだR&D段階である理由の一つです。しかし、Addcompositesは性能を備えつつ手頃な他の加熱技術も模索しています。

 

HaaS（ハードウェア・アズ・ア・サービス）としてのAFP

AddcompositesはAFP-XSを購入だけでなく、リース期間に応じて月額2,000〜3,000ユーロでリース提供しています。「小さなスタートアップや研究グループでも、生産設計の支援としてツールをレンタルできるというアイデアでした」とルタダ氏。「FEAと部品設計が準備できたら、製造可能性の最適化が必要になります。設計者は当社ウェブサイトから部品製造のシミュレーションをリクエストできます。その後、必要な期間ツールをレンタルし、手元のロボットに接続します。必要なら現地ロボットサプライヤーの手配も支援します。完了したら、機器を返却するか、割引価格で購入できます。」

2020年初頭までに、このプログラムをEU全土に展開したいと考えており、まずフランス、ドイツ、ポーランド、英国から開始します。「来年はヨーロッパと米国で20台のツールを配置したい」とルタダ氏。

Addcompositesはすでにフィンランドで宇宙産業開発作業にAFP-XSを使用し、熱可塑性テープを開発する別のフィンランド企業とも協働しました。また、フィンランド最大の複合材メーカーとの製造自動化プロジェクトを完了し、米国企業での初期パイロット作業も実施中です。

「ターゲット市場には大学や研究センターのほか、現在手積層で複合材を製造しており、AFPと自動化の経験を得たい中小企業が含まれます」とクリゴスキー氏。「試験運転を実施し、部品製造中の機械をビデオ撮影できます。それらを自社製品で使用している様子を見てから、ツールをリースおよび/または購入できます。」

 

実力はどうか？

ルタダ氏は、AFP-XSツールヘッドのアウトプットが、現在AFPシステムサプライヤーが販売している大型セルほど高くないことは認めます。「しかし、積層速度は落ちません」と反論します。「処理する材料は同じです。テープのバラツキが少ないほど良い結果が出るのは他社と同じです。しかし、最終ラミネートの品質という点では差はありません。」同社は最終ラミネートの浸透・硬化を自社で行わず、メーカー向けに装置を供給しているため、ラミネートデータの収集はまだ進行中です。いくつかのプログラムが終了しつつあり、このデータはまもなくAddcompositesのウェブサイトで公開される予定です。

「2017年にアールト大学で研究プロジェクトを開始し、2018年にAddcompositesを設立しました」とルタダ氏。「多様なメーカーと協働して多くを学び、AFP-XSシステムを継続的に前進させています。これらの改善は、テストと実証を経てすべてのユーザーに展開されます。現在はKUKAロボットで動作し、ABBとUniversal Robotsでの実証を進めています。」

「複合材は先進製造の未来だと信じています」とクリゴスキー氏。「あらゆる複合材メーカーに、手頃な価格でスマートな自動化生産を届けることに情熱を注いでいます。」

Composites Europe（9月9〜12日、ドイツ・シュトゥットガルト）のAddcompositesブースにお越しください。CWからのさらなるアップデートにもご期待ください。