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既製品を使わず独自開発が容易になる
製造現場にロボットアームを導入する場合、大半のケースでは既製品を導入します。技術を持たないというよりは、「ロボットアームを製作する設備を整えるコストがかかる」というのが、製造現場での実情です。
そうした製造現場に3Dプリンターがあれば、特別な設備を整えなくてもロボットアームの部品製作に取り組むことができ、既製品を購入せずともロボットアームの独自開発が容易になります。ロボットアーム導入にかかるコストを大幅に削減できる可能性もあるでしょう。
カスタマイズされたハンドで精細な作業が可能になる
製造現場におけるロボットアームは、モノを「つかむ・はなす・はける」というのが基本的な動作です。仕組みはシンプルなのですが、どのようなモノを対象とするかによって、先端（ハンド）の形を変えなければいけません。
既製品の中にニーズを満たすようなハンドがない場合、3Dプリンターで独自に作ることをお勧めします。カスタマイズされたハンドにより、精細な作業が可能になる上に、ロボットアームの導入コストを削減できます。
製造現場の自動化に貢献できる
3Dプリンターを使ってさまざまなロボットアームを製造現場に導入すれば、大幅な自動化が期待できます。製造工程の自動化により、スタッフはより重要な作業に集中できるようになり、最終的には不良率の改善などに貢献します。
ロボット以外にも治具製作に最適
製造現場における3Dプリンターの活用方法は、ロボットアーム製作に限りません。たとえば、製造工程において部品を固定するための治具製作にも使えます。
製造工程における治具は部品を傷つけないために樹脂素材で作られているものが多く、3Dプリンターなら、多彩な樹脂素材を使ってニーズを満たす治具製作が可能です。
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金属3Dプリンターではどのような製品が作れる？
金属3Dプリンターは、複雑な形状でも造形しやすいため、航空機エンジン部品をはじめとして、従来の加工方法では生産が難しい製品でも作製可能です。
またCADデータを設計すれば、複雑な形状でも造形できるので、ユーザーごとにカスタマイズが必要な人工骨や入れ歯にも適しています。
さらに、強度と軽量性が両立する部品を設計したり、製品の一体化により性能を向上させたりする使い方も可能です。
一方で、新製品の形状確認やモックアップ（模型）など、金属材料でなくとも問題ない用途であれば、樹脂3Dプリンターでも対応できます。
樹脂3Dプリンターは、金属3Dプリンターに比べて小型の装置や安い価格モデルが多いため、導入ハードルは低いことが特徴です。
低コストで試作したい方は、樹脂3Dプリンターの導入も検討すると良いでしょう。
金属3Dプリンターと切削加工の使い分け方は？
マシニングセンターやNC旋盤などを用いる切削加工は、加工精度に優れることが特徴です。そのため製造できる形状であれば、切削加工を使用しましょう。
しかし製品形状が複雑である場合、刃物を入れられないため加工が難しいケースもあります。このほか、切削中に切粉が発火しやすい「チタン」や、溶けた金属が刃物に付着しやすい「ステンレス」などの難削材は、切削加工が困難です。
もし製品が複雑形状で生産できない場合や、難削材を加工する場合は金属3Dプリンターを使用すると良いでしょう。
また切削プロセスが多くなる製品の場合、金属3Dプリンターを使うことで製造プロセスを短縮し、短時間で生産できます。
このほか材料ロスを防ぎたい場合も、金属3Dプリンターを使うと良いでしょう。切削加工では、発生した切粉を廃棄する分の材料ロスが生じます。
金属3Dプリンターでは必要分のみ材料を使用するため、無駄な原料消費を抑えられ、歩留まり向上につながります。
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産業用ロボットが動くためには、プログラムが必要です。動き方を設定するティーチングは、ロボットの機械そのものに動作を設定するのではなく、搭載されているOSにプログラムを書き込みます。
PCやスマートフォンといった一般的な電子機器にもそれぞれ最適なOSが搭載されており、産業用ロボットが採用しているのが、ROSです。代表的なOSのMicrosoft Windowsは『集中管理型』の処理システムですが、ROSは『分散処理』システムを採用しており、産業用ロボットと相性がよいとされています。
集中管理型のシステムでは、メインプロセッサがすべての情報処理と命令を行います。システム構築は簡単ですが、多くの情報を高速かつ連続で処理しなければならない場合、処理が追いつかず、動作遅延やシステム停止を招く可能性があります。
産業用ロボットには多くのアクチュエータやセンサーが搭載されています。常に変動するアームの座標やセンサーからの情報を絶えず取得し、最適な動作をすばやく命令できなければ、作業を安定して実行できません。
分散処理型は、複数のプロセッサが情報処理と命令を行うシステムです。システム構築が集中管理型よりも難しく、メンテナンスの手間もかかるものの、処理スピードや安定した動作が見込めます。ロボットのアームや関節、センサーなどに分散して設置されたプロセッサが、それぞれ担当しているプログラムを実行するだけなので、産業用ロボットの安定した運用が可能です。
また、ROSのライブラリには世界中で開発されたプログラムが公開されていたり、C++やPythonといった複数の言語に対応していたりするなど、ROSには産業用ロボットシステムの開発環境が整っているのです。
『ノード』がプログラムを実行する。ROSの構成要素
ROSの大きな特徴である分散処理。ROSでは分散処理がどのように行われているのか、プログラムの基本的な構成要素とあわせて、簡単にご説明します。
ROSのプログラム『ノード』
ノードとは、一般的なコンピュータの『プログラム』を指します。コマンドと言い換えることも可能です。ノードは独立しているメモリ内でプログラムを実行しており、ノード同士が情報のやり取りを行うことで、ロボットの制御を行います。
関連する複数のノードをまとめたものが『パッケージ』です。一連の動作を実行するためのノードをパッケージとしてまとめることで、管理が簡単になります。ROSライブラリには、すでに開発された汎用性の高いノードやパッケージが配布されており、システム開発者はこれを自由に活用できるのです。
通信回路の役割を担う『トピック』と、情報を表す『メッセージ』
ノード同士が情報をやり取りするための回路（データパス）のような役割を担うのが『トピック』です。トピックを介して送られる情報は『メッセージ』と呼ばれており、ノードはトピックを通じてメッセージをやり取りすることで、プログラムを実行します。
ノードを管理する役割の『マスター』
『マスター』はノード同士が情報のやり取りをする際に、お互いのノードやトピックを識別する仕組みです。パッケージはノードのまとまりの名称でしかありませんが、マスターはそれぞれのノードを管理するシステムのような役割を担っています。
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PLA樹脂はABS樹脂と比較すると、耐熱性や耐久性が弱いです。そのため、成形物を製造する場合は、ABS樹脂が利用されるのが一般的でした。しかし、特殊フィラメントが開発されたことで、3Dプリンターの利用の幅が広がりました。
木の質感を再現できたり、ブロンドの質感を再現できるものまで登場しています。
以下では、特殊フィラメントをご紹介します。
ポリアミドナイロン樹脂(PA)
3Dプリンター用材料の中で、高機能で汎用性が高い材料がポリアミドナイロン樹脂です。工業用の過酷な条件下でも使用できる、高耐熱性や耐久性を向上させた、エンジニアリングプラスチックとしても有名です。厚くプリントすれば、耐衝撃性に優れたパーツとして使用することができ、薄くプリントすると衣類などに使用することができます。
耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)
ポリスチレンは、プラスチック素材の中でも古い歴史を持ちます。1930年に工業化されて以来、安価で生産量が多いプラスチック素材としての地位を確立しています。また、軽量で剛性が高く、透明性にも優れているため、5大汎用樹脂としても知られています。
このポリスチレンにゴムを配合して、耐衝撃性を大幅に強化したのが耐衝撃性ポリスチレンです。ゴムを配合しているため、透明性はなくなりますが、耐衝撃性は大幅に向上しています。
ポリカーボネート(PC)
ポリカーボネート樹脂は、高い透明性と難燃性、プラスチックでは最高の耐衝撃性を持つエンジニアリングプラスチックです。ガラスと同程度の透明性を持つため、カメラレンズ等にも使用されます。
透明樹脂のポリエチレンやアクリルと比較すると50倍程度衝撃に強いです。また、紫外線にも強いため、屋外で使用できることも魅力です。割れることはありませんが、傷は付きやすいので、取り扱いには注意が必要です。
ポリエチレンテレフタレート(PETG)
ポリエチレンテレフタレートは、ペットボトルに使用される素材です。また、フリースなどにも使用されています。耐熱性や耐寒性、強度に優れ、透明度も高いといった特性を持っており、強靭で耐薬品性もあります。
3DプリンターのPETGは、ABS樹脂とPLA樹脂の良いところが組み合わさったもので、耐久性があり、加工がしやすい素材として人気を集めています。また、ABS樹脂やPLA樹脂に近い価格で購入できるため、コストパフォーマンスに優れた樹脂として知られています。
ポリアセタール(POM)
ポリアセタールは、耐摩耗性に優れた素材で、自己潤滑性があります。また、高い温度安定性を持ちます。そのため、金属の代替品として使用されることが多いです。
主な利用用途としては、ギアやベアリングなどの回転物や、グリップやフックなどの耐久性が必要なパーツ類です。近頃は、木管楽器や金管楽器のパーツにも使用されています。
ポリプロピレン(PP)ライクレジン
ポリプロピレンは、耐衝撃性・耐摩耗性・耐久性といった強靭な性質を持つ素材です。しかし、3Dプリンターの材料としては再現性が低いため、物性を発揮したい場合はポリプロピレンライクレジンが使われます。
ポリプロピレンライクレジンは、UV硬化樹脂で、光造形法の3Dプリンターの材料として使用することができます。光造形法3Dプリンターは滑らか、高精細な仕上がりが可能で、見た目も質感も本物のポリプロピレンの機能、質感を作ることができます。
ポリビニルアルコール(PVA)
熱可塑性樹脂のひとつで、融点は約200℃前後、耐熱温度は40～80℃、酢酸ビニルモノマーを重合したポリ酢酸ビニルを鹸化して作られる樹脂材料です。親水性が強く、水に溶ける特徴を持ったプラスチックです。
また、水溶性プラスチックですが、接着性や酸素バリア性、造膜性、耐薬品性に優れており、耐久性の強い被膜を得ることができるため、フィルムなどにも使用されています。
エラストマー
エラストラマーは、3Dプリンター用ゴムフィラメントとも呼ばれます。他のフィラメント材料にはない、耐摩耗性、耐衝撃性、柔軟性、引張強度、耐薬品性に優れる素材です。
造形が難しいという弱点があり、金型や鋳型を使用して行われるのが一般的でしたが、熱可塑性ポリウレタンを配合することで造形の効率化が可能となりました。
サポート材
サポート材とは、3Dプリンターで試作品を造形する場合に必要な材料で、造形後は取り除く部分です。空中に浮かんだ形を造形する場合、それを支える土台がなければ、造形物は落下してしまうため、一時的にサポート材を置いてプリントします。造形物が固まった後にサポート材を取り除きます。
その他
PLA樹脂はABS樹脂とは異なり、造形する場合には緻密な金型のコントロールが必要になります。しかし、PLA樹脂をベースにして、異なる素材を混ぜ合わせることで、全く異なる質感を3Dフィラメントで再現する開発が進められています。木の質感を再現できるフィラメントや、銅粉を混ぜ合わせることができるフィラメントなどが開発されています。
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まずは、金属3Dプリンターで使われる材料に目を向けてみましょう。
金属3Dプリンターにはさまざまな造形方式がありますが、ほとんどの場合は粉末材料が使われています。例えば、最も主流であるPBF（粉末床溶融結合）方式は、素材となる金属粉末を敷き詰めてレーザーや電子ビームを照射し、熱で溶かした後に固めていく仕組みです。機種によって数値は異なりますが、0.02mm〜0.05mm程度の極めて薄い金属を積層しながら造形物を仕上げていきます。
金属3Dプリンターで使用されている主な金属材料は、以下の通りです。
マルエージング鋼（高強度特殊鋼）
SUS316L（耐食性ステンレス鋼）
インコネル718・インコネル625（ニッケル系耐熱特殊鋼）
AlSi10Mg（鋳造用アルミニウム合金）
Ti6Al4V（チタン合金）
金属3Dプリンターや金属粉末のメーカーはこれらの材料の材料特性値を公表していますが、ほとんどの材料の特性値は従来の工法で使用する展伸材や鋳造材と同等です。したがって、使用する材料による強度への影響は少ないといえるでしょう。ただし、従来の工法に比べると材料の選択肢はかなり狭まってしまうため、用途や形状に応じて材料を選定しにくいという点はデメリットといえます。
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