専門家が警鐘：今後20年の航空機需要に対応するには更なる自動化が必須

商業需要だけで今後20年間で生産率の倍増が必要

コロナウイルスパンデミックが正常な生活を覆し、商業旅客機を実質的に運航停止に追い込む前、航空業界は今後20年間で4万機の新型航空機（飛行機、ヘリコプター、エアタクシー、無人航空機）が必要と予測していました。この数には、平均寿命25〜30年で退役する機体の代替分と、約8年分のバックログが上乗せされています。

パンデミック関連の制限が緩和され、航空需要が以前の水準に戻れば、予測需要を満たす唯一の道は自動化の強化だと業界専門家は言います。

多くの他業界とは異なり、航空業界では現在、実行可能な代替製造プロセスがないため手作業が一般的です。しかし、Statistaが記録した2006〜2019年の世界航空旅客需要の前年比増加（2.4〜8.1%、2009年のリーマンショック時を除く）やその他の要因を考慮すれば、業界が追いつくには更なる効率化が必須です。

研究者たちはハンドレイアップなど一部プロセスの自動化方法を模索しています。しかし、現在利用可能な自動化手段もあります。作業ステーションへの作業指示投影、自動シーラント塗布、締結、マーキング、マテリアルハンドリングプロセスなどです。

「商業航空需要だけで、実質的な生産率の倍増が必要です」と、空軍研究所構造技術部門チーフのジョン・D・ラッセル氏。

商用機に加え、軍は数千機単位で生産可能な「消耗品航空機（attritable aircraft）」を検討しています。

さらに、従来の航空企業とUberのような企業から注目されるエアタクシー概念も、さらなる生産増を必要とします。

「これらいずれか単独でも、米国には現在対応能力がないと業界関係者から聞いています」とラッセル氏は、ウイルスが世界的に拡大する前の情報だと断った上で語ります。「もし3つ同時に実現したら、業界はキャパシティ問題を解決するために創造的にならざるを得ません。」

「私が聞いている大きな選択肢は、特に商業航空において、生産性とスループット向上のための自動化活用です。企業は部品製造から組立まで、自動化でどう改善できるかあらゆる角度から研究しています。自動化の資本支出は新しい生産ライン追加より安いと聞いています。」

ラッセル氏は、エアタクシー業界が生産をオフショアに求める可能性があると予想します。車両価格がビジネスモデルの大きなドライバーになるためです。商業航空では高い技術レベルが必要なため既存サプライヤー関係を維持する可能性が高く、オフショアリングは起きにくいと見ています。軍用機ではオフショアは選択肢にありません。

4万機を20年で納入するには年間2,000機の生産が必要で、これはパンデミック前の納入数を大きく上回ります。

航空輸送需要の増加に対し、メーカーが十分に速く体制を整えられなかったことで納入バックログが生じました。

また、消費者は航空旅行を贅沢ではなく必需品と見なし、個人旅行の支払い能力を持つようになりました。

その結果、商業航空各社は、フライトに飢えた消費者に離陸時間の柔軟性を提供するため、サービスを拡大しました。

ボイングは5月1日時点で5,049機、エアバスは3月31日時点で7,650機のバックオーダーを抱えていました。

パンデミック前、ボイングとエアバスの競争再燃により、人気のナローボディ機の記録的納入と2019年に前年比9.4%の生産増が予想されていました。両社合わせて2019年に1,750機超を生産予定（2018年は1,606機）と、Frost & Sullivanの2019年6月中旬の発表にあります。

しかし8月には、他の予測がこれらの数字を下方修正しました。

英国航空宇宙ロビー団体ADSによると、ボイング737 Maxが2019年3月の2件の死亡事故後に運航停止となったことで、世界航空機生産は四半期減少しました。2019年7月の納入は88機で、前年同月比24%減。単通路機（737など）の生産低迷が主因です。

昨年末までに、エアバスとボイング合わせて1,243機を納入。

業界はこれらの数字を増やすために動いています。

「最大手の商用機メーカーであるボイングとエアバスの両社が、生産率向上に多額の追加投資を行っています」と、JR Automationの航空宇宙・防衛担当ビジネス開発副社長、ビル・ビゴ氏。

昨年後半、ドイツ・ハンブルグでエアバスはA320ファミリー胴体構造の高度自動化組立ラインを導入しました。

新施設には20台のロボット、新しい物流コンセプト、レーザー測定による自動位置決め、デジタルデータ取得システムが導入されています。

ロボット活用に加え、エアバスは材料・部品物流の新手法・技術も導入し、生産最適化、エルゴノミクス改善、リードタイム短縮を図っています。これには物流と生産レベルの分離、需要ベースの材料補充、無人搬送車（AGV）の活用が含まれます。

ほぼ同時期、ボイングはワシントン州エバレット工場での4年間の完全自動化プロジェクトを終了し、777と777Xの胴体主要2セクションへのファスナー挿入をロボットアームで行う方式から、熟練メカニックによる手動挿入に切り替えました。

ロボットは依然として「フレックストラック」システムでファスナー用の穴あけを自動化しており、人間とロボットの組み合わせプロセスとなっています。

この試みは最終的に報われるかもしれません。

ロボティクス活用の失敗から、ボイングは「その種の技術への最初の非常に深いダイブ」から貴重な教訓を得たと、777X生産を統括するボイング副社長ジェイソン・クラーク氏はロサンゼルスタイムズに語っています。「『自動化のための設計』を学びました」とクラーク氏は2019年11月の記事で引用されています。

新方式では、Electroimpact Inc.が開発した機械が胴体組立で最も物理的に要求の厳しい作業の一つである金属への穴あけを担うため、作業員の負担が軽減されるとタイムズ記事にあります。

また、「ビルドの一部を再設計し、リベットをより容易なファスナーに置き換えることで、エルゴノミクスをさらに改善しました」と広報担当者。

生産増加策がすべて新ラインとロボットとは限りません。

サウスカロライナ州ノースチャールストン工場では、ボイングは：持続的なオーバーヘッド作業による負担を軽減する外骨格をメカニックに装備；正しいトルクでナットを締め付けるBluetooth対応スマートレンチを導入；メカニックが新工具をテストするためにVRを活用、とロイターは報じています。

ロボットがハンドレイアップを担えるか？

ハンブルグやワシントン州のボイング工場に胴体構造が出荷される前に、自動複合材製造（ACM）プロセスで製造されます。これには自動ファイバープレースメント（AFP）と自動テープレイアップ（ATL）が含まれます。

ACMは、平坦またはわずかに曲面の中〜大型部品（胴体、主翼、バルクヘッドなど）に適しています。

しかし、中小型複合材部品はハンドレイアップで製造されており、大量の材料を無駄にする非常に非効率なプロセスです。

これは大きな問題です。これらの部品（クリップ、ブラケット、Iビーム、アクセスドアなど）は構造重量の最大半分を占め、1機あたり数千個に上ります。

「また、ハンドレイアップが必要なこれらの部品は、カットダウン、ダート処理、絞り込みなどが必要です」と、複合材コンサルタントのレス・コーエン氏。「つまり、バイ・トゥ・フライ比が2倍になる可能性があります。ポンド当たり40ドルの材料なら、実質80ドルの材料ということです。」

南カリフォルニア大学のチームが最近、ロボットアームによるレイアップ自動化のデモンストレーションプロジェクトを完了しました。

自動化ではありませんが、航空機構造材料の改善余地もあります。

業界は、デバルキング作業で数層ごとに進行中の部品をオートクレーブにかけ、最終部品を硬化させるのに多くの時間がかかることを理解しています。オートクレーブプロセスなしでオートクレーブ硬化品と同等の特性を持つ速硬化樹脂が答えですが、まだ利用できません。新素材開発には平均5年、推定1,000万ドルの投資が必要で、採用保証もないため、この課題が未解決なのも理解できます。

航空宇宙での第4次産業革命は立ち上がりが遅い

より高い生産性と品質を約束するインダストリー4.0も航空生産の後押しになる可能性がありますが、業界はつながり、デジタル化、データ駆動の第4次産業革命の採用に遅れています。

「それらが今まさに生産現場でオンラインになり、成果を出し始めたところです。我々はこれに深く関わっており、プログラムレベルで展開し、工場に絶対的な効率向上をもたらせる段階にようやく達しました」と、Electroimpact Inc.の複合材レイアップと自動化プロジェクトマネージャー、アンドリュー・パーヴィス氏。「データを取得し数値化し始めると、そのデータの山の中に多くの『金』、時には『ダイヤモンド』が見つかり、生産を本格的に押し上げるものが見えてきます。」

生産の品質側は自動化に最適だ、とパーヴィス氏。

Electroimpactは、AFPマシンが部品を構築・プリントする際のすべてを測定する検査技術をシステムに組み込み、品質監視を実現しています。自動検査により、同社が「連続チューニング」と呼ぶプロセスが可能になります。

「システムは自分のやっていることを監視することで自らを較正し続け、連続的にチューニングします」と同氏。「AFPマシンやプリンターがカメラやセンサで出力を見て、『おや、少しドリフトし始めてるな、補正しよう』と言うようなものです。」

この時点でインダストリー4.0の採用は、サイバーセキュリティとデータ管理のインプリケーションもあり、達成よりも憧れに近いと、コンサルティング企業Maher Associatesの社長ミック・マハー氏。

「航空宇宙業界が他業界より遅れて取り組んでいるとは思いません」と同氏。「インダストリー4.0はまだこの段階で舵を託すには未熟すぎます。ただし、自動化はインダストリー4.0の重要な構成要素です。テープレイアップ、ファイバープレースメントのように成熟した自動化部分がある一方で、まだ多くの開発が必要です。」

大きな利益が見込める

JR Automationの航空宇宙技術ディレクター、ランディ・ラウンクルズ氏は、以前Spirit AeroSystemsで2019年初頭にインダストリー4.0導入チームの一員でした。

Spiritの従来目標生産は、物理的制約と規模から月21機だったとラウンクルズ氏。同氏が去る前には、追加シフト、増員、特に締結での自動化増強により、月産57機まで向上していました。

「私が去る直前のプロジェクトの一つが、設備稼働率のインダストリー4.0データ収集でしたが、それが同社の『設備が何をしていて、何ができるか』の理解を変え、将来レートへの資本支出に大きな影響を与えました。」

「デジタルをちょこっと試す」段階

世界中でインダストリー4.0を航空宇宙製造に適用する研究が進んでいますが、採用は遅く、現在の航空機生産はデジタルよりアナログ寄りだとAFRLのラッセル氏。

「企業は資産追跡など特定のペインポイントを解決するために『デジタルをちょこっと試している』に過ぎず、真のエンタープライズワイドなインダストリー4.0環境を持つメーカーはほとんどいません」と同氏。

現在のインダストリー4.0コンポーネントの状況について、付加製造は工具と非構造部品向けに検討され、一部プロセスはロボットで自動化され、データ分析では非破壊検査データを元のモデルに紐付けて製造欠陥の部品性能への影響を理解するR&Dが行われています。

YouTubeに投稿された動画では、クカのロボットアームにエンド・オブ・アーム・ローラーが装着され、前の層の上にプリプレグ複合材の層を平らにし、両側のグリッパーを持つ2台のロボットが材料を張った状態で保持しています。

ハンドレイアップ職人のうち、このスマートロボットセルで実証された「サードハンド」の相当物を願った人は何人いるでしょうか？

このセルと背後にあるすべての技術は、南カリフォルニア大学の機械工学・計算機科学教授サティアンダ・K・グプタ氏、その同僚と学生によるデモンストレーションプロジェクトです。ボイング、ロッキード・マーティン、ユナイテッド・テクノロジーズの提案に基づき、自動化の実現可能性評価を目的に部品を作りました。ロボット自動化で作った部品のテスト結果は3社に送られました。

「現在、航空宇宙の誰もが直面している重要課題は労働力不足です」とグプタ氏。

ロボットアームがレイアップを行えば、人間オペレーターが複数セルを同時に監視できると説明します。これはキャパシティ増加だけでなく、品質を確保しながらデバルキング工程を排除できる可能性があります。

例えば、仮想的な重要部品がプリプレグ100層でできている場合、工程中の部品を3層（または5層）ごとにバッグ詰めして真空引きし、ボイドがないか確認する必要があり、合計33回のデバルキングが必要です。

しかしロボットなら、人間の手とは異なりロボットツールの圧力を測定できるため品質が保証され、プロセスを高速化できます。

プロセス自動化は一貫性と合理化だけでなく、ハンドレイアップという単調で肉体的に過酷な仕事からの解放でもあります。

グプタ氏とチームは2年半かけて、ロボットアームをエンド・オブ・アーム・ツーリング、コンピュータビジョン、力覚センシング、AIアルゴリズム、高度なコントローラ、ヒューマン・マシン・インターフェースと統合しました。デモンストレーション部品は標準エポキシ系カーボンファイバープリプレグ合板で最大15層まで構成されました。

最も困難だったのはリアルタイムコンピュータビジョンの統合です。

「カメラに形成中の欠陥を見せる必要があります」とグプタ氏。「（今では）ロボットがシワを見つけると、こっちに引っ張り、あっちに引っ張り…と対処します。」

セルが自力で解決できない問題に遭遇すると、ビープ音、メール、テキストで人間オペレーターに警告します。

ただし、それは必要な時だけです。

「時には全工程が何の問題もなく完了します」とグプタ氏。

見てママ、手なし！（エンド・オブ・アーム・ツーリングが自動プリプレグレイアップを実現）

3年前に増設されたRego-Fix棟には、高度なエネルギーと天然資源節約機能が組み込まれています。これには特別な空気交換換気システム、木質ペレット暖房、複数のプログレッシブエアコンユニット、「グリーン」屋根、自然光とセンサー制御照明の両方の活用が含まれます。

空気交換換気システムは、新棟内の空気を1時間に7回交換します。製造フロアから排熱（主に同社の工作機械に必要な大型空気圧縮機が発生させる熱）を排出します。寒い時期（年間の大半を占める）には、回収した排熱で外気を温め、製造フロアに循環させます。

また、閉鎖系の循環水で製造フロアの空気圧縮機を運転中に冷却します。冷却過程で水が温まり、この温水を1,849ガロン（7,007リットル）タンクに貯蔵。この水を建物のオフィスエリア床暖房システムでさらに建物暖房に活用します。

施設には390kWの暖房システムもあり、化石燃料ではなく木質ペレットを燃焼。ペレットは地域で盛んな木材・家具製造業の副産物です。このシステムは他の熱源のバックアップとして動作し、外気温が極めて低い時のみ稼働するため、ペレット消費量は非常に少ないです。

夏季には、省エネ型プログレッシブ3ユニットエアコンシステムが床暖房システムと空気交換システムと連携して増設棟を冷却。空気交換ユニットが建物から熱を排出し、冷水が床暖房システムを循環します。

建物内温度が一定レベルを超えると、プログレッシブエアコンシステムの1台が床システムと空気交換ユニットをバックアップするために稼働。エアコンユニットは回転数制御されており、温度上昇が続き第1ユニットが限界を超えると第2ユニットが作動。第2ユニットも限界に達すれば第3ユニットが作動。建物が冷え始めると、逆順で個々のエアコンユニットが停止します。

建物の外壁は完全に断熱されています。典型的な屋根設計とは異なり、Rego-Fixが採用した屋根は高い断熱性を持つ非常に珍しいものです。「グリーン」または「植生」屋根と呼ばれ、土で覆われ実際に芝が生えています。断熱価値に加え、雨水を捕捉し、13,200ガロン（50,000リットル）タンクに貯めて建物のトイレ洗浄水として利用します。

これらすべての暖房・冷房機能の組み合わせにより、製造エリア内で安定した一定の周囲温度が維持されます。これは重要な製造メリットがあります。一定温度が同社の高精度ツールホルディングシステム製造における工作機械精度の一貫性維持に役立ちます。

更なる省エネのため、新製造棟には多数の大型3層断熱窓が採用され、豊富な自然光を取り入れます。また、窓には自動開閉シェードが装備され、夏場の建物冷却に大きく貢献。シェードは多くの熱を遮断しつつ、穴あき構造で光を取り込みます。

追加照明が必要な箇所では、LED型省エネライトとモーション制御点灯を使用。建物内に壁スイッチはなく、エリアが占有されている時のみ点灯し、無人になると消灯します。