ロボットファイバープレイスメントと3Dプリンティングがインダストリー4.0を加速——インガソールとシーメンスの挑戦

インダストリー4.0が約束する利点が、イリノイ州ロックフォードのインガソール・マシンツールズで現実のものとなっています。「デジタルツイン」マシン設計シミュレーション、高度なロボット知能、複雑な動作制御が必須ツールです。これらにより、大規模金型生産、部品加工、プロセス自動化が、航空宇宙、海洋、その他の産業分野でより広く利用可能になっています。

「インダストリー4.0が約束した破壊的変革はすでに始まっています」と、インガソールのセールスバイスプレジデント、ジェイソン・メルチャー氏は言います。「さらに注目すべきは、それが航空宇宙分野で起きていることです——改良された金型と部品生産のためのマシン設計が、最大級の大規模さ、最難関の難しさを伴う分野で。」

「ここでは、プロセスインピーダンスが時間単位ではなく分単位、ポンド/時間単位で評価されます」とメルチャー氏は説明します。「航空宇宙業界トップクラスのCNCとモーションテクノロジープラットフォームによって、将来にわたってより高い『作れやすさ』がサポートされることを実感しています。」

プロセス改善は常にインガソールの核心でした。長年にわたり、同社の機械、ソフトウェア、プロセスエンジニアがシーメンスのエンジニアとチームを組み、次世代大型マシン設計を開発してきました。

しかし、インガソールとシーメンスが取り組んでいる真のブレークスルーとは何でしょうか？

今、この2社は顧客エンジニアリングチームと協力し、発明、検証、リスク軽減をより大規模に行っています。インテリジェントなロボットファイバープレイスメントと大規模プリント/ミル部品生産が、もはやビジョンではなく現実となっています。

ロボットファイバープレイスメント

航空宇宙向け自動ファイバープレイスメント（AFP）の老舗プレイヤーであるインガソールがハイエンドロボティクスに進出するのは自然な流れでした。同社の狙いは、ロボットファイバープレイスメントを第2・第3ティアの航空宇宙部品製造業者にも手頃な価格で提供することです。しかし、大規模ロボット位置決めの歴史的な不正確さ、マシンオペレーターレベルでのロボット制御の欠如、大規模カスタマイズAFPシステムの設計・構築コストの高さといった「地上の現実」が、航空宇宙市場への本格参入を阻んでいました。

正確なロボット位置決め: 近年になっても、大規模ロボティクスの位置決め精度はせいぜい約5mmで、再現性も低いものでした。この制約に対処するため、シーメンスは強力なSinumerik 840D sl CNCを進化させ、高度なロボット補償ソフトウェア「Run MyRobot」を搭載しました。

これにより、インガソールは新しいRobotic FPファイバープレイスメントマシン設計にロボティクスを統合し、標準および逆運動の両方で、再現性のあるロボット位置決め精度を1mm未満に達成しました。

マシンでのロボット制御: Robotic FPマシンのロボット運動は、シーメンスSinumerik CNC Operateインターフェースを使用してマシン上で容易に制御できます。この制御装置の直感的なグラフィカルインターフェースは、Sinumerik CNCプラットフォーム全体で共通です。オペレーターが3軸から5軸、または旋回テーブル、マンドレル、リニアレールなど多数の追加軸を持つ6軸ロボットへ移行しても、インターフェースが同じため、航空宇宙顧客はプラント全体でより高いプロセス効率を達成できます。オペレーターの経験は、従来のファイバープレイスメント、ロボットファイバープレイスメント、3Dプリンティング、ロボット3Dプリンティング、あらゆるCNC加工プロセスを制御する場合でも同じです。

マシン設計シミュレーション: 工作機械業界は長年、マシン、金型、部品のデジタルツインを仮想的に設計、テスト、再設計し、実際の生産に移る前に検証できることを期待してきました。航空宇宙では、マシンや部品の巨大さが物理的プロトタイピングを特にコスト高にしています。

従来の試行錯誤プロトタイピングは、時間と材料の大幅な損失を生みます。この制約から脱却するため、インガソールのソフトウェアエンジニアは、プロセスエンジニアがマシン、金型、部品を仮想的に設計・開発できるシミュレーションソフトウェアを開発しました。このソフトウェアは、シーメンスのVirtual NC Controller Kernel（VNCK）シミュレーションソフトウェアをラップしています。コントローラーは、実際のマシンで実行されるのとまったく同じように、ほぼすべての加工サイクルデータと工具パスを仮想的に処理・シミュレートし、Sinumerik Operateインターフェースがこの正確なデジタルツインシミュレーションをグラフィカルに表示します。

大規模3Dプリンティングとミリング

世界最大級の熱可塑性3Dプリンターが、インガソール・マシンツールズの巨大な開発センターに入ると、航空宇宙エンジニアの目を即座に引きつけます。

MasterPrintマシンの巨大さに慣れると、エンジニアの注目を集めるのは、より速いプロトタイピング、より短いリードタイム、製造コスト90%削減の見込みです。インガソールのイノベーションは、シーメンスSinumerik 840D sl CNCプラットフォームによって再び可能となった、ターンキーのプリント・アンド・ミルマシン「MasterPrint 5X」の開発へと続き、さらなる生産性ブレークスルーをもたらします。

インガソールのロールアウトを支援してきたシーメンスセールスチームのリーダー、メカトロニクスエンジニアのマイケル・フォーク氏は、インガソール開発センターを訪れる航空宇宙エンジニアの反応を頻繁に目撃しており、「5X」ファクターが大きな魅力である理由を証言できます。「3Dプリントされたものは90%の確率で仕上げフライス加工が必要です」とフォーク氏。「新しいMasterPrintは、インガソール開発・シーメンス対応の自動ヘッド交換技術を備え、世界最大級の部品をターンキー操作で生産します。」

フォーク氏によると、航空宇宙と海軍のエンジニアが今インガソールで目撃しているのは、かつて達成不可能だったプロセス改善目標を探求する自分たちの能力です。「2019年10月、メイン大学が実際に浮いて人を運べる25フィート（約7.6m）のボートを3Dプリントし、ギネス世界記録3部門を受賞しました」と氏。「注目すべきは、それ以来インガソールのエンジニアがサイズ記録を何度も大幅に更新していることです。」

ミル・プリント効率: MasterPrintの大型3Dプリンティングアプローチは、5軸運動の増幅された速度、器用さ、精度を組み合わせます。同じガントリーが、プリント、ミリング、ファイバープレイスメント、テープレイアップ、検査、トリミングなどの機能を相互に切り替えて実行できます。

あらゆる角度からの3Dプリンティング: インガソールは新しいMasterPrint 5Xをリリースするとフォーク氏。このマシンはあらゆる角度から最大限の利点でプリント可能です。これにより、最も効率的なシーケンスで巨大な金型や部品を迅速に製造できます。5軸プリントノズルが適切に向きを変え、より複雑な部品をプリントします。

高速同期: 「3Dプリンティング中の同期アクションに多くの『魔法』があります」とフォーク氏。「一貫したビード形状で美しい部品が得られます。コーナーでは必要に応じてのみ減速し、すぐに最適速度に戻ります。コーナーのオーバーフィル、インフィル問題、ビードのネッキングダウン、工具内のボイド、部品内側への材料堆積がありません。」

ロボット3Dプリンティング: インガソールは、シーメンスSinumerik 840D sl CNCのキーフィーチャーとなったSinumerik Run MyRobot/Direct Control、ロボット補償ソフトウェアを最大限に活用しました。インガソールは、マシン上のCNCが同じロボットで操作される複数のモジュールを制御できる幅広いロボットシステムを提供します。

未来へのツールセット

ジェイソン・メルチャー氏とマイケル・フォーク氏は、探求的な問いを投げかけるインガソールのエンジニアたちの絶え間ない熱意と、それを支える文化を目の当たりにしてきました。彼らは、大学を卒業したばかりのプロセスエンジニアが、最先端のメカトロニクスコースでもカバーされていないことを急速に学ぶラボ環境を描写します。

インガソールでは、エンジニアたちはより良い加工プロセスを発明、検証、学習、構築するよう挑戦され、そのためのツールが与えられています。

「シーメンスはマシン設計プロセスに『オープンなツールボックス』をもたらします」とフォーク氏。「5軸Sinumerik 840D制御、フルセットのモーター、ドライブ、コンポーネント。シミュレーションソフトウェアとサードパーティイノベーションへのオープンな招待。これらすべてが一体となり、Sinumerik CNCとそのバーチャルカウンターパートであるVNCKカーネルが、はるかに進化した加工プロセスの『脳』となります。」

インガソールのプロセスエンジニア、ネイト・ハウグ氏は、よりオープンなCNCとモーション制御ツールセットの利点を証言する多くの刺激を受けたエンジニアの一人です。「シーメンスは、『Gコードのみ』ベースの制御ではできなかったことを可能にするプログラミング言語から始まります」とハウグ氏。「実質的に2つのツールセットがあります。一つはシーメンス言語で、オープンな関数と変数の範囲を許容します。もう一つは、NCの『脳』に条件付き関数を注入するツールセットです。これら両方なしでは、私たちの仕事はできません。ファイバープレイスメントマシン、ロボットファイバープレイスメントマシン、3Dプリンター、ロボット3Dプリンター、2ヘッド、垂直、5ヘッド、基本的にあらゆる構成の工作機械で840Dを使用しています。」

ハウグ氏によると、既存マシンの改良に加え、彼と同僚エンジニアたちはシーメンスSinumerik CNCツールセットを用いて、新しいマシン開発への道筋を探っています。その一つが材料研究です。

「各材料には固有の流動特性があります」とハウグ氏。「シーメンス制御により、材料に合わせてコード内の機能を修正できます。CNCプラットフォームにより、より広範な材料を調査できます。」

材料特性の問題は、強度、収縮、反り、等方性対異方性材料の使用といった変数を探ります。材料ソリューションは、民間、防衛、インフラ用途の迅速なプロトタイピング領域で生まれます。木材資源由来のセルロースを使用したバイオベース原料といった野心的なイニシアチブをサポートできる、世界に一つのプリンターというコンセプトも浮上しています。

マシン自己監視: 目視検査が今日でも一般的ですが、ますますデジタル化・自動化が進む生産課題に対するアナログな回答になりつつあります。

インガソールは、検査がマシンの副次的プロセスとして日常的に機能する日が近いと見ています。ファイバープレイスメント加工プロセスが積層を監視し、欠陥をチェックし、部品の精度と信頼性を保証します。同様に、ハイブリッド3Dプリンティングプロセスが、将来的にはシームレスに統合されたプロセス自己監視とともに、プリントとミリングをバックツーバックで行うようになります。

これらの自動セルフインスペクションプロセスの開発は、正確な位置決めと位置フィードバックを司るシーメンスCNCとモーション制御プラットフォームによってすでにサポートされています。マシンはあらゆる変動を検出、トレース、報告できます。

インガソールとシーメンスが実証したように、インダストリー4.0が約束する利点は今日実装されています。大型ロボットファイバープレイスメントと3Dプリンティングの障壁を取り除いた今、期待は部品生産プロセス全体におけるブレークスルー的改善に向かって高まっています。

「より大きな絵を描く思考です」とインガソールのジェイソン・メルチャー氏。「顧客を訪問するとき、それはプロセス改善を探求するためです。固定された機能と機能を持つマシンのラインカードについてではありません。私たちは、顧客ごとにカスタマイズされたプロセス改善についての会話に入っています。」

航空宇宙、海洋、その他の先進分野のエンジニアにとって、大規模なイノベーションとは、これまでになく探求できる無限のツールボックスを手に入れることを意味します。