DLRのFlappybot、2019年会議で複合材製造に革命

 

DLRの興味深い名前のFlappybot（柔軟な自律生産・配置・組立ロボット）プロトタイプは、大型航空宇宙部品製造で一般的な大型・高価な固定機械からの根本的な脱却です。このコンパクトな自律AFPユニットは、金型上を直接「走行」するように設計されています。出典：DLR
 

複合材業界が成長を続け、競争力を高めるには、デジタル化と自動化がもたらす機会を活用しなければなりません。ドイツで開催された2つの最近の航空宇宙中心会議が、複合材製造の未来を探りました。

シュターデの未来工場を訪問

「複合材の未来工場」をテーマに、2019年6月12〜13日、ドイツ・シュターデでComposites Conventionが開催されました。CFK Valley e.V.（ドイツ・シュターデ）とCarbon Composites e.V.（ドイツ・アウクスブルク）の共催で、過去最多の約450名が参加。ユタ州先進材料製造イニシアチブ（UAMMI、米国ユタ州ケイズビル）との連携と米国がパートナー国となることで、強力な米国プレゼンスが実現しました。

開会基調講演「デジタル化：コンピュータ支援製造から人間支援自動化への移行」で、ドイツ航空宇宙センター（DLR、ドイツ・シュターデ）軽量生産技術センター長のヤン・シュトゥーベ博士がプログラムの方向性を示しました。DLRで開発中の未来工場技術には、生産時間短縮のために協働する複数ロボット、プロセス最適化を可能にする機械のデジタルツインなどがあります。もう一つの鍵は、柔軟な生産シナリオ向けの移動型自律ロボットです。これにはプロトタイプのFlappyBot 、コンパクトな ファイバープレイスメントユニットが金型上を移動するものが含まれます。シュトゥーベ博士は過度な自動化の潜在的危険性を警告し、デジタル化がいかに人間を製造プロセスに再参画させるべきかを議論しました。

Audi A8のCFRPリアウォール、乗員室最大コンポーネントはVoith Compositesにより高度自動化プロセスで製造、年産65,000個を実現。出典：CFK Valley

2つ目の基調講演「高速製造と熱可塑性複合材－トレンドと技術」で、NASAラングレー研究センター（米国バージニア州ハンプトン）上級材料エンジニアのロバート・G・ブライアント博士が、地上の工場から宇宙での建設へ視点を移しました。宇宙での長期人間滞在には、第一歩としてシェルターとプラットフォームが必要です。ますます複雑な構造物を宇宙に打ち上げるためのより大型ロケットの開発は経済的に持続可能ではありません。解決策にはニアサイトまたはオンサイト製造が必要です。熱可塑性複合材部品のインシチュコンソリデーションを可能にするツールレス先進テープ積層（ATP）プロセスが答えになり得ます。この新技術では、2台のATPロボットが対向して働き、一方が熱可塑性プリプレグテープを積層し、もう一方が工具として機能します。ツールレス製造は航空宇宙製造コストを下げ、宇宙探査の経済性を改善し、他市場分野にも利益をもたらす可能性があります（「General Atomics Aeronautical、ツールレス熱可塑性複合材プロセス開発中」参照）。

サステナビリティ

製造の進歩は環境負荷低減と共になければなりません。その流れで、次のセッションではJörg Spitzner氏（Spitzner Engineers GmbH創業者、ドイツ・フィンケンヴェルダー）が、気候目標達成にはネガティブエミッション技術が必要だと主張しました。同氏の会社は、特許取得済みのBlancair風力タービンコンセプトがタービン効率を向上させ、大気からCO₂を除去すると主張しています。ナセル搭載のフィルターモジュールに空気を取り込み、CO₂を分離して合成燃料生産等への貯蔵・リサイクル、清浄空気をローター羽根先端の開口部から放出します。コンセプト説明動画はBlancairウェブサイトで視聴可能です。

セッション主催者らは、複合材生産におけるスマートエコ効率評価コンセプト（DLR）、オートクレーブ外・常温・強靭化プリプレグで耐火・煙・毒性（FST）能力を持つもの（TCR Composites、米国ユタ州オグデン）も発表しました。

シミュレーションによるエンパワーメント

会議初日の残りはシミュレーションに焦点が当たりました。

Voith Composites（ドイツ・ガルヒング）CTOのラース・ヘルベック博士が、Voith Roving Applicator AFPマシンがプロセスチェーンを簡素化し、サイクルタイム短縮で効率的な自動プリフォーミングプロセスを可能にすることを説明。Audi A8 CFRPバックリアウォールの自動製造ライン（年産65,000個能力）で実施された構造・プロセスシミュレーションを概説しました。

MET Motoren- und Energietechnik GmbH（ドイツ・ロストック）のマーク・ブルドスヴァイト氏が、シミュレーションがオートクレーブへの部品投入最適化への洞察を与え、硬化プロセス最適化と生産性向上を可能にすることを説明。DLRシュターデ施設の最大オートクレーブ向けに開発されたデジタルツインは、実プロセスと並行稼働、または高速で実行し部品挙動を予測できます。

更なるバーチャルプロセス開発トピックとして、SMCプロセスモデリング（ESI Group、フランス・シャルトル・ド・ブルターニュ）、オートクレーブでのサンドイッチパネルプロセスシミュレーションによるコアクラッシュとプリプレグシワ問題の理解（Airbus Helicopters、フランス・マリニャーヌ）がカバーされました。

バーチャル安全モデリングでは、Reichenbacher Hamuel GmbH（ドイツ・ドルフレス・エスバッハ）、Scherdel Gruppe傘下のヨッヘン・リュール氏が、CFRP部品加工時に発生する粉塵・粒子状物質の管理へのシミュレーションベースアプローチが、AirbusやPremium Aerotec（ドイツ・アウクスブルク）などの顧客にメリットをもたらしたことを議論。加工シミュレーションと粒子分布可視化により、メーカーは厳格化する健康安全法令への準拠、加工結果改善、機械ダウンタイムとメンテナンス削減を実現、最終的に単位部品コスト低減につながります。

シミュレーションセッションではまた、複合材製造のバーチャルコストモデリングに関するボーイング支援プロジェクト（設計・生産・財務の複雑な相互作用を考慮しコストドライバーを特定、マサチューセッツ工科大学、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ）、シミュレーティブモデリングによる最適複合材バリューチェーンに基づくデジタル工場計画コンセプト（Fraunhofer IGCV、ドイツ・アウクスブルク）も紹介されました。

MBFast18移動加工コンセプトは、自律搬送車、ロボット、ポータブルCNCマシンで構成され、大型CFRP航空機部品製造の生産性向上を実現。出典：Fraunhofer IFAM

アワード受賞者

本年は2プロジェクトがCFK Valleyイノベーションアワードと7,500ユーロの賞金を分け合いました。

1位（4,500ユーロ）はMBFast18移動ロボットシステムプロジェクト。大型CFRP航空機部品向けAGVベース移動CNC加工システムを開発。

出典：Fraunhofer IFAM

今日の大型航空機構造物向け高価・固定式加工システムと比較し、小型移動ロボットシステムが柔軟な製造と高生産性を実現。

MBFast18システムは、FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG（ドイツ・フルダ）製4.6m自律プラットフォーム、SICK AG（ドイツ・ヴァルトキルヒ）製ナビゲーション・安全センサー、SAUER/DMG MORI（ドイツ・ズールとビーレフェルト）製5軸CNCマシンを採用。Fraunhofer IFAM（ドイツ・シュターデ）製移動レーザートラッカーがロボットを精密位置決め。作業範囲最大0.5平方メートルのドリリングユニットがバキュームグリッパーで部品にクランプ。ドリリング位置はBCT GmbH（ドイツ・ドルトムント）製ソフトウェアで計算・機械へ送信。このコンセプトはハンドリング・組立作業や風力・鉄道など他業界にも適用可能。

MBFast18プロジェクトの動画を見る：

2位はスタートアップのHyconnect GmbH（ドイツ・ハンブルク）のFAUSST金属-複合材接合技術。造船セクターを最初のターゲットとし、複合材と金属の接合が複合材普及の主要障壁となっています。FAUSSTソリューションは、経編ガラス繊維と金属繊維からなるハイブリッドファブリックを用い、金属と複合材を機械的に確実に接合。金属繊維側を溶接可能な鋼プロファイルに接合、もう片側を複合材部品にラミネート。特許技術で設計・接合プロセスを大幅に高速化。初期プロトタイプ応用が現在テスト中。

FAUSST接合プロセスの紹介動画を見る：

 

自動化によるイネーブルメント

2日目は、受賞したMBFast18プロジェクトがFraunhofer IFAMプロジェクトマネージャーのクリストフ・ブリリンガー氏とFFTのグレゴール・グレーゼル博士（Dr. Gregor Graßl）により詳細に探られ、マルチロボット運用のスマートプロセス・プラント制御システム開発の課題が議論されました。Northrop Grumman Innovation Systems（米国ユタ州クリアフィールド）スタッフエンジニアのジェローム・バーグ氏が、自社開発AFPプロセスでユタ施設でのAirbus航空機ストリンガー自動製造を説明。Evonik Resource Efficiency GmbH（ドイツ・ダルムシュタット）のウヴェ・ラング氏が「サンドイッチテクノロジー4.0」を紹介、同社ROHACELLフォームコア材を用いた高生産レート対応自動製造技術。DLRとAirbus技術ハブCTC GmbH（ドイツ・シュターデ）の協働で、航空機ノーズランディングギアドアの高度自動プリフォーミングプロセスが実証されました。

プリフォーミングプロセスの動画を見る： 

 

バーチャルリアリティへの旅では、ABSOLUTE Reality GmbH（ドイツ・ハンブルク）ビジネス開発責任者のフェリックス・ヒュネッケ氏が、建物の3Dモデルを作成・編集し、画像・文書・動画を補完してバーチャル環境を構築し、世界中から閲覧可能にすることを実演。同社がDLRシュターデ生産ホールの3Dツアーを作成。

DLR生産ホールを歩く： 

ARK Group（ドイツ・アーヘン）CEOのフェリックス・シュライバー氏が、自動樹脂移動成形（RTM）生産ラインでの構造化機械データのプロセス・コストメリットを議論。CTC GmbHのザシャ・バックハウス氏が、複合材製造におけるモジュラー自動化と、人間とロボットがソフトウェアベース支援システムで協働するチームを開発するHybr-iTプロジェクトを議論。

未来工場イベントで人工知能（AI）の話題は欠かせません。Plataine（米国マサチューセッツ州ウォルサム）CMOのアミール・ベン・アッサ氏が、複合材製造におけるAI実装の機会と課題を議論。アラート（生産遅延や品質問題など）からレコメンデーション（材料選択最適化など）まで、AIの実用的応用を提示。Google Glass上のAIベースデジタルアシスタントも可能性として、「ハンズフリー」な生産現場でのAI対話とアラートのリアルタイム音声・視覚提示を実現。

ZLPアウクスブルクの多機能ロボットセル、大型複合材部品の産業規模統合プロセス開発を可能にする設計。出典：DLR

その他のトピック：

• 大型複合構造物向けファイバーオプティックセンシングによるインテリジェントプロセス監視（MT Aerospace AG、ドイツ・アウクスブルク）；
• 自動複合材製造向けインテリジェント制御システム（National Composites Centre、英国ブリストル）；
• 小型部品熱成形向けモデルベース品質管理システム（Faserinstitut Bremen e.V.、FIBRE、ドイツ・ブレーメン）；
• フレキシブル自動化ベースで大型部品対応スケーラブルな航空機用途向け不連続繊維強化熱可塑性樹脂圧縮成形プロセス（ACT Aerospace、米国ユタ州ガニソン）；
• 高ボリュームCFRP部品生産向けサイクルタイム短縮等温RTMプロセス（Airbus Helicopters）
• ニアネットシェイプテーププリフォームと射出成形を用いた、ストラット、パイプ、ドライブシャフト向け大規模生産対応の複雑・高性能熱可塑性プロファイル（herone GmbH、ドイツ・ドレスデン）。詳細は「高性能・ユニタイズド熱可塑性複合構造物のための射出成形」参照。

アウクスブルクでの10年間の進歩

別イベントとして、5月15日にDLRの第5回生産技術コロキウムが、同センターの軽量生産技術センター（Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie、ZLP）アウクスブルクで開催され、約200名が集まりました。このイベントはZLPアウクスブルク10周年を祝うもので、現在約60名のスタッフが複合材生産の自動化とデジタル化に注力しています。

ZLPアウクスブルクの統合製造プロセスの一部、自動ドレーピング用ロボットグリッパー。出典：DLR

一日の幕開けは、ブリティッシュコロンビア大学（UBC、カナダ・バンクーバー）からの2つのプレゼンテーションで、同大は2016年からDLRと協力しています。UBCデジタルラーニングファクトリーイニシアチブ共同ディレクターのアヌシュ・プールサルティップ教授（Prof. Dr. Anoush Poursartip）が、医学教育病院に着想を得た複合材ラーニングファクトリーの概念を紹介。複合材ラーニングファクトリーはUBCオカナガンキャンパスに設置され、研究・教育・産業活動を統合する設計に。UBCバンクーバーにホストされるデジタルツインが、物理工場データとシミュレーションを組み合わせ、航空宇宙複合材生産プロセスを最適化。次にUBCのホマユーン・ナッジャラン教授（Prof. Dr. Homayoun Najjaran）とDLRのマリアン・コールバー氏（Marian Körber）が、バーチャル環境での複雑製造プロセス最適化と、UBCの機械学習・AI専門知識がDLRのロボットシステム開発時間とコスト削減にどう活用されているかを議論。深層学習手法でZLPの自動ドレーピング用ロボットグリッパーを訓練。このグリッパーは127個の可変吸引力吸引モジュールを備え、カット材を認識・ピックアップし、モジュールが金型内でのドレーピングに必要な形状を取ります。

Premium Aerotecのリアプレッシャーバルクヘッド設計の熱可塑性複合材部品は、ZLPアウクスブルク開発の抵抗溶接技術で接合。出典：Premium Aerotec

熱可塑性技術もZLPアウクスブルクの焦点分野です。世界初の熱可塑性リアプレッシャーバルクヘッド（RPB）開発プロジェクトが、Premium Aerotec GmbHのラルフ・マーニッヒ氏とアレクサンダー・ゼンガー氏により概説されました。同社はZLPアウクスブルク、Toray Advanced Composites、複合材研究所（IVW）と協働し、統合ストリンガー付き8つのCFRPセグメントからなる設計を、ZLP開発の抵抗溶接技術で接合。短サイクルタイムの自動プロセスで高ボリューム生産を実現。技術完成度（TRL 6）は2020年予定、実装は2021/2022年目標。6月のパリ航空ショーで、Airbus A320シリーズ機向け1:1デモンストレーターを展示。現在のA320プレッシャーバルクヘッドがリベット止めアルミ部品であるのに対し、熱可塑性部品は同等機械的特性で10-15％軽量化、生産時間50％短縮を実現するとされています。続く講演で、DLRのステファン・ヤルカ博士（Dr. Stefan Jarka）とマヌエル・エンドラース氏（Manuel Endraß）が熱可塑性溶接テーマを継続し、ZLPアウクスブルクの接合・NDT能力とRPBプロジェクトでの役割を深掘りしました。

ZLPアウクスブルクはフラッシュランプベースのインシチュAFP熱可塑性複合材を調査中。レーザーAFPに必要な安全エンクロージャを不要にするパルスエネルギーソリューション。出典：DLR

熱可塑性複合材は宇宙用途でも機会を提供します。MT Aerospace AGのラルフ・ハートモント氏と、DLR宇宙用途プロジェクトマネージャーのラース・ブラント氏が、次世代アリアンロケットランチャー用カーボンファイバー強化熱可塑性上段開発を概説。ブラント氏は液体水素タンク（LH₂）向け材料スクリーニング（カーボンファイバーPEEKと低融点（LM）PAEKが有望）と、リーンアディティブマニュファクチャリングアプローチを可能にするインシチュ熱可塑性複合材AFPプロセス開発を詳細に説明。ZLPは新しいフラッシュランプ支援インシチュAFPプロセスを従来のレーザー支援AFPとベンチマークしています。

接合技術は将来の航空宇宙用途への熱可塑性複合材導入成功の鍵。ZLPアウクスブルクは、KUKA QUANTEC KR210ロボットを7mリニアトラックに搭載したエンドエフェクタで構成されるロボットベース連続超音波溶接システムを開発。剛性フューゼラージパネルとリアプレッシャーバルクヘッドを含む部品で実証済み。出典：DLR

一日を締めくくったのは、ZLPアウクスブルク責任者マイケル・クプケ教授（Prof. Dr. Michael Kupke）による「デジタル化と柔軟な生産」と題した思考を促す基調講演。デジタルプラットフォーム経済の台頭が複合材メーカーに機会かリスクかを問いかけ、ITがコアコンピタンスとなり、コストセンターではなく価値創造の競争優位として扱われるべきだと指摘。詳細計画から自己組織化（リーン生産）と自動化・デジタル化の組み合わせへのパラダイムシフトが進行中と述べ、AIが自律的・柔軟な生産を可能にすると。しかしクプケ教授は結論として、意思決定とプロセス改善に不可欠な人間のスキルを評価し統合することが不可欠だと強調しました。