オートメーションがロケット部品生産を新たな高みへ

民間宇宙機開発企業の台頭が、ロケットと衛星部品の製造環境を一変させた。以前は NASA や米国防総省など政府機関が宇宙関連製造の大半を支援していた。今や、Blue Origin、SpaceX、Virgin Galactic の裏にいる資金力ある起業家たちが、次世代宇宙技術の進歩を牽引している。

成長する民間宇宙ビジネスは、製造業者にとって新たな業界、新たな関係、新たな要求、新たな機会をもたらしている。

Gray Manufacturing Technologies はその恩恵を受けるベンダーの一つだ。ノースカロライナ州デンバー拠点の同社は、高度な加工と何より自動化技術の適用により、宇宙飛行業界の増大する需要に応えている。

Gray の製品ミックスは多品種で、個別部品のロットは少量だ。「当社ビジネスの大半は航空機、または宇宙・衛星コンポーネントです」と Gray の親会社 Compass Precision 社長兼 CEO、ゲイリー・ホルコム氏。「ほとんどのジョブが 5-10 個で、前回ジョブとは異なるものがほとんど。厳密なプロトタイプではないが、非常に少量の複雑な部品で、月 100 ジョブ以上を出荷しています」

宇宙機企業が技術を常に改良・改善するため、設計変更が頻繁に発生する。「当社が 5 個作って納品したら、また 5 個発注があるが寸法が違う、ということがよくあります」とホルコム氏。「頻繁な変更通知があり、生産スケジュールへの出し入れが激しい。3 か月後の納期で 6 件受注しても、1 週間後には 2 件が前倒し、2 件が延期になる」

自動化は、Gray の宇宙・衛星製品加工サービスへのアプローチにおいてキーとなる要素だ。「最初に自動化を検討したとき、キャパシティの観点からでした」と Gray Manufacturing オペレーションマネージャー、エヴァン・グローズ氏。「同じパレットに同じ部品を繰り返し載せ続けるスペースがありませんでした」

主軸稼働率と生産柔軟性を高めるため、同社は GF Machining Solutions LLC（イリノイ州リンカーンシャー）から 2 台の 5 軸 MILL E 700 U マシニングセンタを導入。System 3R Transformer モジュラーロボットと 12 パレットロードステーションを備えたセルに配置した。ロボットはレール上を移動し、パレットを機械内外へ交換するとともに、ロードステーションでオフラインでパレットの積み下ろしを行う。これらの機能が合わさり、Gray での長時間無人運転を可能にしている。

GF Machining Solutions の自動化により、Gray は少量多品種ワークロードを効率的に処理できる。「装置の柔軟性が非常に重要です」とホルコム氏。「日中は宇宙関連の 1-2-5 個ジョブにリソースを集中。帰宅前には非宇宙仕事、つまりすでにプログラミング済みの比較的大量の航空機ジョブを夜間無人運転で実行します。MILL E 700 が提供するプログラミング性を複雑な極少ロットに日中活用し、自動化能力でやや大量の非宇宙仕事を夜間無人運転するのです」

一般的なマルチパレットシステムでは、消灯前にパレットに載せた分だけ無人生産可能だが、Transformer ロボットシステムは完了ワークのパレットを機械から取り出し、ロード済みパレットと交換。その後、アイドルパレットで部品をアンロード・リロードしながら加工を中断なく継続する。「これを『自動化のための自動化』と呼んでいます」とホルコム氏。

無人運転では、工具破損検出を加工プログラムに設定。工具が折れれば機械が停止し、工具交換を行う。MILL E 700 U は Gray の長時間無人運転を支える十分以上の工具収納を備え、工具摩耗補正と冗長工具の自動交換がプログラムで指定可能だ。

「作業の複雑さ増大と、適切な技術スキルを持つ従業員の確保困難さから、自動化の道を進みました」とホルコム氏。「完全多関節ロボットではなく堅牢な Transformer ロボットを選んだのは、マシニングセンタ自体が複雑な動きをできるため、完全多関節ロボットは不要と判断したからです」

ロボット自動化システムの代替案は更なる機械導入だとホルコム氏。「稼働機械数にもよるが、更なる人員も必要になる。オペレーター 1 人で 7-8 台を運営することは期待できない。現在の受注レベルでロボットなしなら、少なくとも 3 台追加で計 5 台、さらに 2 名の人員が必要。現時点では、機械を増やすより人を探す方が難しい」

現在はロットが少量だが、今後増量が見込まれ、Mikron MILL 5 軸機とロボットパレットシステムの能力をフルに活用できるようになる。「大量とは言っても数百万個ではない」とホルコム氏。「5-10 個ではなく、数十個レベルが必要です」

商業宇宙機ビジネスの成長・成熟に伴い、自動化はより重要になる。ホルコム氏によると、同社はすでにプログラミング済み部品の大量生産へ移行しており、プログラミング需要より、GF Machining Solutions 自動セルが提供する長時間機械稼働への需要が高まっている。

ホルコム氏は、自動化に加え、加工速度も航空宇宙・宇宙機部品生産の成功に不可欠だと語る。その多くは複雑なアルミ部品を高回転で加工する必要がある。

自動セルの 2 台に加え、Gray には Mikron MILL E 500 U と MILL S 600 があり、それぞれ 7 パレット回転盤を装備。一方は 36,000 RPM、もう一方は 20,000 RPM スピンドルだ。

同社の対応力と効率性に貢献しているのが、「ワンセットアップ」アプローチへのコミットメントだと、元 Gray Manufacturing ゼネラルマネージャー兼社長で現コンサルタントのジェリー・スーツ氏は説明する。5 軸フライス盤でこの生産目標を達成するため、Gray は戦略的に配置した 0.005-0.010 インチ厚のタブを素材に残し、ダブテール治具でワークを把持し、すべての部品形状を加工可能にしている。

この治具により、ワーク底面と機械の間に十分な距離が確保される。このため、底面形状にも到達でき、あらゆる角度から加工可能。加工完了後、CMM で測定し、合格ならタブを切り落とす。

急成長する民間宇宙製造業は、宇宙機企業とサプライヤーの間に新たな関係を生み出している。30 年前はベンダーが航空宇宙企業に自社能力を売り込む必要があり、後者は積極的にサプライヤーを探していなかった。新規航空機プロジェクトでない限り、設計変更は稀だった。

「今日は商業宇宙企業がすべて『その場その場で』やっています」とホルコム氏。「まったく異なるマインドセットです。常に新製品と継続的な設計変更のストリームに対応できる有資格サプライヤーを積極的に探しています」

「最新 ISO 認証と AS 9100D は最低条件。高い技術力が必須。アルミでも難削材でも、要求の厳しい部品を比較的少量で作れること。生産スケジュールの流動性に対応できる俊敏性が必要。当社の 5 軸フライス盤と GF Machining Solutions の自動化が、これらすべての要求を満たす鍵となっています」

Gray Manufacturing Technologies の詳細は gray-mfg.com または 704-489-2206 へ。GF Machining Solutions の詳細は www.gfms.com または 800-282-1336 へ。