アーヘンを拠点とする研究機関Access e.V.は、未来の部品を開発するため、インベストメント鋳造プロセスにおいてカワサキロボットを活用しています。

1986年にRWTHアーヘン大学からのスピンオフとして設立されて以来、非営利・独立系研究機関であるAccess e.V.は、材料研究と新しい製造プロセスにおけるイノベーターとして確固たる地位を築いてきました。アーヘンTechCenterでは、幅広い産業用途に向けて、鋳造プロセスと新材料の開発・検証が行われています。

同研究機関の取り組みの中心にあるのは、最新のインベストメント鋳造プロセスです。Airbus、Rolls-Royce、MTU Aero Enginesなど、航空宇宙産業の著名なパートナーがAccessのエンジニアの専門性を頼りにしています。

100を超える工程から成る長いプロセスチェーンを伴うインベストメント鋳造は、特に新しい部品形状を開発する際には極めて高度な対応が求められます。Accessは10年以上にわたり、こうした難易度の高いプロジェクトを精密かつ迅速に遂行するため、川崎重工のZX130Lを活用しています。

産業レベルの研究

顧客やパートナーがAccessのチームに依頼するのは、量産そのものではありません。求められるのは、産業規模で実装可能な研究です。自動化製造のプロジェクトマネージャーであるMartin Hamacher氏は、「一般的に、部品の形状が複雑であればあるほど、インベストメント鋳造が用いられる可能性は高くなります」と述べています。

特に航空宇宙分野の研究では、ハイテクプロセスと複雑な形状へのニーズが高まり続けています。従来の鋳造プロセスでは、たとえばチタンのような取り扱いの難しい材料において、限界に達することも少なくありません。

Hamacher氏は次のように説明します。「鋳造メーカーは、開発プロジェクトに対応できない場合や、当社の専門知識を必要とする場合に、私たちに相談してくることがよくあります。当社はプロトタイプ開発を背景としており、小ロットは日常業務の一部です。そして、産業界との緊密な連携は私たちにとって不可欠です。」

現在、包括的な航空研究プロジェクトであるGATE（産業研究パートナーとの共同プロジェクトで、BMWKの助成を受けています）は、複雑なインベストメント鋳造部品に対する需要の高まりに長期的に応えるためには、自動化が鍵であることを示しています。

Accessが未来の技術の礎を築く

Accessが開発する部品、材料、プロセスは、未来の技術の基盤となります。しかし、研究から量産へと至る道のりは長いものです。プロセスがますます加速しているとはいえ、生産準備が整うまでには時間を要する場合があります。

とりわけ、航空宇宙製造における新しい合金や新しいプロセスでは、認証要件が非常に厳格です。材料エンジニアのAlexander Küll氏は次のように説明します。「多くのプロジェクトは長期にわたるものであり、互いに積み重なる形で発展していきます。もちろん、すべてが最終的に量産タービンに搭載されるわけではありません。しかし、私たちの仕事は研究と産業の距離をますます縮めており、それこそが常に私たちの目標です。」

金型シェル製造の堅牢な中核：10年間稼働する川崎ロボティクス製ZX130L

自動化は、数多くのプロジェクトに不可欠な要素です。カワサキロボットは、主に鋳型システムと鋳造クラスターの開発に使用されています。Rolls-Royceのタービンシステム向け部品などの航空機エンジン部品は、複雑な形状と薄い肉厚を持つため、常に大きな課題を伴います。

可搬質量130kg、リーチ2,951mmを備えた川崎重工 ZX130Lは、まさにこうした要求の厳しい環境と作業に対応するために設計されました。可搬能力と外部影響への耐性を備えながら、このロボットは非常に高速で柔軟性に優れ、広い作業範囲を有しています。

Küll氏によると、ZX130Lは2014年の導入以来、Accessで使用されています。「大量のスラリーや粉じんが発生するため、作業環境は非常に過酷です。シールは年に1回整備していますが、当社のカワサキロボットは10年以上にわたりトラブルなく稼働しています。しかも追加の囲いなしで、です。」

プロジェクトは一つひとつ異なります。この期間中、ロボットを用いて、500を大きく超えるさまざまな鋳造システムとプロセスが個別に開発され、実装されてきました。システムインテグレーターであるVA Techによって設置されたこのロボットは、包括的なプロセスチェーンの中核を担っており、新しい鋳造システムの具体的な要件に合わせて柔軟に適応する必要があります。この目的のため、TechCenterの増築部分にある限られたスペースが最適に活用されました。

AIを活用した品質管理とばらつきの排除

各シフトの終了後、ロボットはワークをAI搭載のカメラシステムへ供給します。このカメラシステムは、LuFo VI研究プロジェクトFASTの一環として開発されたもので、収集された産業データに基づき、表面仕上げの信頼性の高い品質管理を行います。 また、ワークは定期的かつ自動的に計量され、ばらつきの検出に用いられます。ここで、自動化された鋳型シェル製造の決定的な利点が明確になります。手作業による生産では、鋳造セットアップごとの鋳型シェル重量のばらつきは、許容範囲内ではあるものの、常に大きな偏差を示します。一方、ロボット支援による生産では、鋳型シェル重量は実質的に一定となり、有意なばらつきは発生しません。

カワサキロボットが処理時間を効果的に短縮

システムのデジタルツインは、設備の状態を継続的に可視化し、エラーを確実にオペレーターへ通知します。また、異なるワークに対して限界値を柔軟に設定することもできます。

シフト数が多く、乾燥時間や処理時間を要するため、セラミック鋳型を手作業で製造する場合、通常は1週間以上かかります。ここでも、ロボットの利点は明らかです。夜間も含めて連続稼働することで、処理時間を効果的に短縮できます。Alexander Küll氏は次のように述べています。「生産作業は従業員に大きな身体的負担もかけます。ロボットを活用することで、従業員をその負担から解放し、彼らの専門性を別の領域で生かすことができます。」

鋳型シェル製造中、ロボットは2基の乾燥システム、3つのスリップタンク、3基のサンディングユニットを操作します。あらかじめ個別に金型へ射出され、モデルのクラスターとして組み立てられたワックス部品は、コンベヤシステムを介してロボットへ供給されます。

ワークがスリップタンクに浸漬された後、ZX130Lはまず液切りを行い、その後、表面にセラミック砂をコーティングするサンディング機へワークを供給します。続いて、鋳造クラスターは乾燥システムへ移送されます。乾燥後、シーリング層が適用されるまで、目的の積層順序に従ってこの工程が自動的に繰り返されます。ロボットはレーザーを用いてスリップタンクの正確な液面レベルを検出し、最適な浸漬深さを選択することができます。

展望

Access TechCenterは、2027年に新しいProduction Launch Center Aviation（PLCA）へ移転する予定です。PLCAは、安全性が極めて重要な航空部品に向けた最先端の製造プロセスを開発するために、専用設計された施設です。

Martin Hamacher氏とAccessのチーム全体は、新拠点に向けてすでに数多くの計画を持っています。「TechCenterのスペースは有効に活用してきましたが、PLCAでは、追加工程の自動化を産業規模で実装することを計画しています。産業に近い研究は、適切な技術があってこそ成り立ちます。そのため、産業レベルで利用可能な自動化は、私たちにとって不可欠です。ロボット支援システムを最適化することで、既存のZX130Lを用いた鋳型シェル製造を、追加のポットやサンダーによってさらに柔軟にし、潜在的な作業領域を拡大することができます。」

一方で、PLCAにおいてもAccessならではの研究志向は維持されると、Hamacher氏は述べています。「私たちの目標は、紙の上だけで研究を行うことではなく、それを産業の実践へ直接適用することです。したがってプロセス開発においては、自動化を進めながらも柔軟性を失わないことが重要です。このアプローチは当社にとって非常に有効であることが証明されており、今後も私たちの研究開発の基盤であり続けます。」

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