次世代航空機向け自動ファイバープレースメント（AFP）の革新

自動ファイバープレースメント（AFP）と自動テープ積層（ATL）がBoeing 787とAirbus A350での複合材広範適用を可能にした製造プロセスであるなら、次世代商用航空機（現在設計段階）でもAFP/ATLが道を切り開くでしょう。今回の違いは、生産レートです。

Boeingは、2037年までに世界で31,000機以上の新型単通路機が必要と推定。Airbusは2037年までに28,000機以上の単通路機需要を予測。両社とも、単通路の定番機（Boeing 737、Airbus A320）の後継機を検討中。両社とも、新機種で複合材を大幅に採用する見込み。両社ともサプライチェーンに対し、これらの機種の生産レートを月産60〜100機、重点は100機と伝えています。単通路カテゴリーは両社とも世界総需要の約3分の2を占めるため、単通路機向けに開発される製造環境が、今後予見可能な将来にわたって航空宇宙複合材のデフォルト製造環境となります。

これらすべては、品質と生産レート要件を満たすために、自動化技術を今すぐ開発しなければならないことを意味します。これはElectroimpact（EI、米国ワシントン州ムキルテオ）シニアエンジニアのTodd Rudberg氏にも理解されています。Rudberg氏とEIは2004年、Spirit AeroSystems（米国カンザス州ウィチタ）が製造した787セクション41前部胴体セクション向けAFP技術を開発した際に複合材の世界に入りました。その後EIは、787他構造、A350構造、エンジン構造、そして最近ではBoeing 777X翼スパー向けAFPとATLシステムを製造。現在、Rudberg氏は次世代航空機製造の未来を見据え、AFPの大幅な改善機会を見出しています。

機会は、データを見れば明らかだとRudberg氏は言います。実際、EIは自社機械の得意・不得意を理解するための複数の指標を開発しました。まず、2019年のAFP状況を見ると、ATL、手作業積層、織物フラットチャージ、もちろんアルミニウムなど、現在のAFP技術への無数の脅威が見えてきます。

Rudberg氏が開発したAFP指標は、EIが4回のプリプロダクションビルドを実施したフル生産デモンストレーター（FPD）プロジェクトから導かれています。2019年2月に「標準」EI AFP技術で実施されたビルドのデータから、大幅な機械稼働率の課題が明らかになり、機械使用時間が7つのバケットに分類されました：

• レーザー投影：30%
• 走行：27%
• 検査：22%
• 休憩：10%
• オペレーター起因停止：6%
• エラー復旧：3%
• 画像処理：2%

別の見方をすると、現在の技術ではAFPに1つの付加価値操作（走行）しかなく、他はすべて非付加価値操作と見なされます。したがって、付加価値対非付加価値の比率は1:3です。「業界が本当に望んでいるのは3:1であり、私もそうしたい」とRudberg氏。「引退前にこれを達成したい。」目標はシンプルに、非付加価値操作に費やされる時間を削減することです。

説明が必要な全体的なAFP指標もあります：平均故障前ストリップ数（MSBF）。これは、配置失敗の間に配置されるファイバートウの平均数です。この数が大きいほど、機械とプロセスの信頼性が高いことを意味します。2月のFPDビルドでは、5,365 MSBFだったとRudberg氏は言います。

目標

AFP操作をより詳細に見ると、EIが直接制御できるのは走行、エラー復旧、検査の3操作のみだとRudberg氏は言います。ここに同社の努力を集中させています。ただし、Rudberg氏はエアフレーマーにも役割があると指摘します。特に品質検査、休憩、オペレーター起因停止の削減において。「走行時間が非常に低くなっているのは、機械が非常に高速になったためだと認識しなければなりません」と彼は言います。「非付加価値なものは何であれ、稼働率に多大な影響を与えます。つまり、これはチームスポーツなのです。OEMである私だけでなく、エアフレーマーにも責任があります。」

次世代航空機製造に向けて、Rudberg氏はMSBFを20,000以上に増やし、走行時間を77%に向上させ、レーザー投影、オペレーター起因停止、画像処理を完全に排除したいと考えています。どうやって？Rudberg氏はこの移行を促進する3つの技術領域を特定しています：サーボ駆動クリール、100%インプロセス検査、データ管理（EI 4.0）。

これら3つはすべて、初期2月ビルド以降の一連の最近のFPDプロジェクトビルドでEIによって評価されています。FPDプロジェクト自体のデータが、EIが正しい方向に向かっていることを証明しています。Rudberg氏によれば、使用されたAFPシステム（MuSCLEと呼ばれる）は、ピーク出力1,500馬力、0.5G加減速、4,000インチ/分の積層レート、ヘッド旋回時間1秒、スパーコーナー速度120度/秒、6,000 MSBF（生産で達成）を達成しました。

サーボ空圧クリールからサーボモータークリールへの転換は、トウ積層速度、精度、テンション制御、全体的なビルド信頼性の向上のために行われたとRudberg氏。同社は過去2年間、EIモジュラーヘッドに搭載可能なコンパクトサーボドライブの開発に取り組んできました。これまでの技術成果は有望で、テストでは：15,000 MSBF、追加速度87%向上、切断速度36%向上、端部配置精度向上。さらに、EIはサーボモータークリールシステムでドライカーボンファイバーの積層が可能であることを実証しました。

検査の鍵は「インプロセス」部分です。EIにはすでに検査技術があり、Aligned Vision（米国マサチューセッツ州チェルムスフォード）と共同開発し、777X翼製造ラインに導入されています。レーザーとビジョン技術を用いて、ラップ、ギャップ、シワ、端部配置エラー、異物混入（FOD）を検査します。しかし、このシステムはAFPシステムとは独立しており、クリアな視野を必要とするため、AFPヘッドを移動させる必要があります。Rudberg氏とEIは、AFPヘッドに一体化し、ファイバー積層と同時に検査する新しい検査システムRIPITを開発しました。

BoeingとAirbusがアウトオブオートクレーブ複合材製造プロセスを検討する中、AFPシステムがドライカーボンファイバーを効率的に配置する能力は極めて重要です。このデモンストレータースパーは、Electroimpactシステムでドライファイバーを配置したものです。出典：Electroimpact

EIはRIPITの背後にある技術の性質を明かしていませんが、レーザーやビジョンベースではないことは明言しています。いずれにせよ、Rudberg氏によれば、テストでリアルタイムにトウ滑りを±0.030インチ、追加配置を±0.050インチ、切断配置を±0.050インチで検出可能であることが判明。さらに、「既存のBoeing認定ビジョンシステム（777Xで使用されるAligned Visionシステム）とRIPITデータの相関を確認するための十分な試験を行い、相関が得られています」とRudberg氏。

データ管理の価値は、EIのシステムがファブリケーターにAFPプロセスの動作状況をより明確に把握させる能力にあるとRudberg氏。その目的で、EIはデータ可視化ソフトウェアEI 4.0を開発しました。これは、特定ビルドでの機械性能（MSBFベース）だけでなく、個々のトウとシーケンスの性能を可視化します。基本的に、ソフトウェアはオペレーターがAFPヘッドのどこに問題があるかを正確に特定するのを助けます。「EI 4.0を使って、オペレーターがAFPヘッドのどこを見て変更すべきかを示します」とRudberg氏。

このソフトウェアを使用すると、さまざまな機械機能のMSBFをグラフィカルに表示し、問題のあるファイバートウと特に困難なシーケンスを特定できます。また、稼働率を低下させる可能性のある他の機械アクティビティも測定・報告します。これらのデータ管理ツールを用いて、EIはOPSのビルドタイムを50分以上から40分未満に最適化・短縮できました。他のツールには、シフトパフォーマンス比較と積層角度比較が含まれます。

「75%の稼働率は現実的な目標または期待値だと信じています」とRudberg氏は断言します。「しかし、チームワークが必要であり、エアフレーマーからの組織的なイニシアチブとフォロースルー、当社の改善技術、より良い予防保全と予知保全、セル使用と機械性能を分析するより良いツールが必要です。」