極座標型ロボット
極座標型ロボットは、円筒座標ロボットと同じく50年もの歴史を持つ産業用ロボットのなかでは古典的なタイプです。
砲台のように中心に旋回軸があり、作業を行うアームは上下回転と伸縮が可能です。円筒座標ロボットのアームは上下方向に移動して垂直の動きにも対応できますが、極座標型ロボットのアームは上下に回転するため、弧を描くような動きにも対応します。
直角座標ロボット
直角座標ロボットは、縦と横、高さの3つの方向に直交する軸を持ち、立体的な動きを軸のスライドのみで実現します。
似たような動きをする身近な例として、クレーンゲームのアームを挙げられます。アームは水平・縦横・垂直の3つの動きしかしませんが、3つの方向をそれぞれ指定することで空間内の任意の点に移動することが可能です。
直角座標ロボットは、円筒座標ロボットとは異なり回転軸がありません。そのため、回転を伴う作業には対応できません。
垂直多関節型ロボット
垂直多関節型ロボットとは、複数の関節を持ち、回転台の上に据え付けられているロボットです。回転台を腕の付け根とするならば、人間の腕の構造にもっとも近いスタイルのロボットです。
回転と関節が組み合わさることで、動きの自由度が非常に高く、回り込んでの作業も得意とします。しかし、複雑さゆえ、制御が難しいという点には注意が必要です。
円筒座標ロボットのアームは上下方向に垂直に移動することができますが、垂直多関節型ロボットは関節が曲がることで高さの異なる作業が可能になります。現在、産業用ロボットとしてもっとも利用されているのがこの垂直多関節型ロボットといわれています。
水平多関節型ロボット
水平多関節型ロボットは、水平方向の動きだけに特化したロボットです。関節は垂直多関節型ロボットのように曲がらず、回転軸に沿って回転するように同じ高さで水平方向に動きます。
水平多関節型ロボットのアームの先端は、常に水平を保ちます。また、アームに伸縮性がないため、円筒座標ロボットと比べると可動領域が狭いです。なお、水平多関節型ロボットを「スカラ型ロボット」と呼ぶこともあります。
パラレルリンク型ロボット
パラレルリンク型ロボットは、3本のアームが1点につながった形状のロボットです。アームの動きが速いため、ベルトコンベヤーでの選定や整列などの作業に使われることが多いです。
円筒座標ロボットとは異なり、アームは回転せずに上下あるいは前後左右に動きます。また、多関節型ロボットでは関節が縦方向につながっていますが、パラレルリンク型ロボットは関節が横方向につながっている点が対照的です。
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3DCAD等でプログラミングされたデータを元に、樹脂や石膏、金属などの素材を層状に積み重ねていき、最終的につくりたいものへと形づくっていきます。この仕組みが基本ではありますが、細かく分けると3Dプリンターの造形方式にはいくつかの種類があります。
熱溶解積層方式（FDM）
主に家庭用3Dプリンターで採用されている方式。比較的安価で、小型でシンプルな構造の機種が多く手軽に使いやすい。熱可塑性樹脂であるABS樹脂、PLA樹脂などを熱で溶かしノズルヘッドから噴射して層を成形していく。
防水ステッピングモーター
防水ステッピングモーター
粉末焼結積層造形方式（SLS）
粉末（パウダー）状の材料にレーザーを当て焼き固めていく方式。ナイロン樹脂や金属など多くの素材を使うことができ、複雑な造形にも向いている。試作品だけでなく実製品として活用しやすい。比較的高価な機種が多く、粉末対策など設置環境面での課題は多い。
光学造形方式（SLA）
液体樹脂（主にエポキシ樹脂）に紫外線レーザーを照射して、一層ごとに硬化させながら立体物を造形する方式。熱による影響が少ないため材料の収縮や変形が起きにくく、また材料が液体のため高精細かつ大型の造形に向いている。
インクジェット方式（マルチジェット・プリント方式）
インクジェットプリンターのヘッドから紫外線硬化性の樹脂を噴射し、UVランプで紫外線を当てながら固めていく方式。ピッチが細かいため高精細な造形が可能。アクリル樹脂やゴム素材など数種類の素材に対応している。
ステッピングモーター ブレーキ付き
ステッピングモーター ブレーキ付き
粉末接着方式（インクジェット粉末積層方式）
石膏などの粉末材料をテーブルに敷き詰め、形状に沿ってヘッドから接着剤や着色剤を塗布しながら積層し固めていく方式。従来の印刷プリンターに近い動きでスピーディかつフルカラーでの造形が可能。フィギュアや模型などの用途に使われることが多い。
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理由①：グローバル化によって多品種小ロット生産が求められる
3Dプリンターが最終製品に使われる理由のひとつが、「製造業のグローバル化」です
従来の製造業では、少品種大量生産といって少ない品種を数多く生産する方式が採用されていました。しかし、経済の発展が成熟した現代においては、価値観や生活スタイルなどが大きく変化しています。消費者の需要が多様化しているため、製品のサイクルも早くなっているのが現状です。
そして世界の市場で勝つためには、高付加価値化・カスタマイズ化が必須であり、一種類あたりの数量を減少させて、機能や精度を高度化することが求められます。
3Dプリンターを活用すれば、多品種小ロット生産に対応できます。
多品種小ロットのメリット
以下は、多品種小ロット生産のメリットです。
在庫の量を最小限に抑えることが可能
一人ひとりのニーズに応えられる
多品種小ロット生産は、在庫の量が少なくなります。
在庫管理が楽になるだけでなく、市場からの需要の変動を見て生産量を調整することも可能です。一方の少品種大量生産は、大量の売れ残りを抱えてしまうリスクがあります。売れ残りの在庫を抱えてしまうと、かなりの損害が発生してしまいます。
また、顧客の要望に応えられるのも、多品種小ロットならではのメリットです。
デザイン、品質、機能、コストなどを一人ひとりの希望に合わせて提供することで、顧客満足度を高めることができます。大量生産の場合はきめ細かい顧客ニーズに対応することが難しく、ある程度妥協してもらう必要があるでしょう。
多品種小ロットのデメリット
多品種小ロット生産のデメリットは、以下のとおりです。
生産効率は低い
資材のコストは上がる可能性がある
多品種小ロット生産は、生産効率は高くありません。
顧客の要望に合わせて多品種で生産するため、品種による準備や生産ラインの切替が必要になってしまうからです。少品種大量生産では、同じ製品を長く作り続けることができるため、ラインを停止する必要はありません。
生産効率の低下に加えて、資材のコストが上がることでコスト上昇リスクもあります。
多品種少ロット生産は、不定期に多くの種類の材料を少量ずつ仕入れる必要があります。定期的に大量の材料を仕入れられる大量生産と比べると、コストは高くなってしまうのです。
理由②：業務用3Dプリンターの低価格化
最終製品に3Dプリンターが活用され始めたのは、低価格化もひとつの理由です。
3Dプリンターは、「FFF（熱溶解方式）の特許切れ」や「製造するメーカーの参入が増加したこと」などにより、業務用・家庭用ともに安価になってきています。
たとえば、業務用3Dプリンターを中心に取り扱うFLASHFORGEには、「Creator4S」という最終製品まで対応できる機種があります。従来の3Dプリンターが苦手とする大型の造形を可能にする機種であり、大型モデルでも分割することなく、一体化した状態での造形が可能です。
理由③：3Dプリンターの多様化
3Dプリンターの多様化が進んでいることも、最終製品に活用される理由です。
特に3Dプリンター用材料は、著しく多様化が進んでいます。
ほかにも、直近では金属の利用意向は増えていて、金属3Dプリンターを製造するメーカーも多くなっています。従来は5,000万円以上だった装置が、今では半値近くで購入できるようになっていることも原因といえるでしょう。
また、フルカラー材料を活用すれば塗装工程を省くことができるので、大幅なコストの削減にもつながります。
多様化した3Dプリンターを活用すれば、さまざまな素材の製品をつくることが可能です。
かつて3Dプリンターは、試作で使われることがほとんどでした。
その際に利用した3Dプリンターの性能や試作の出来栄えなどに手ごたえを感じた企業などは、最終製品に3Dプリンターを活用しようという動きが出てきているのです。
また、試作段階から最終製品と同水準の試験を行う企業なども、できあがった製品の品質や機能性を高く評価したあと、最終製品に3Dプリンターの導入を検討する場合もあるようです。
満足度の高さも、最終製品に3Dプリンターが選ばれる理由のひとつといえます。
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金属製品の高性能化
金属3DプリンターによるAMであれば、従来のFMやSMでは造形不可能だった、トポロジー最適化やメタマテリアルに代表される高性能な複雑形状を成形可能です。例えば、内部を蜂の巣のようなハニカム構造状にすることで軽量化したり、三次元的に表面積を増やして熱交換効率を上昇させるなど、部品の「高性能化」を実現できます。
接合箇所の削減
上記の内部構造の複雑化にも関係しますが、かつては造形物を接合することでしか実現できなかった構造を、金属3Dプリンターであれば一体造形することが可能です。
例えば、複雑に絡み合う配管は、従来は直線やカーブなどの比較的単純な形状のパイプを接合して組み立てる必要がありました。そのため、接合まで考慮した全体の工程設計そのものに多くの時間とリソースが割かれていました。しかし、金属3Dプリンターによって絡み合った配管を丸ごと造形すれば、接合や組み立て作業そのものが不要になるため、工程設計にかかる時間ごと圧縮が可能です。接合点数の削減は、接合工程の省略や、品質管理工程の軽減にもつながるのです。
金属部品の修復
一度破損してしまえばパーツ交換が基本であった金属部品も、金属3Dプリンターを活用し、破損した箇所に新たに材料を付けたすことによって、失った部分を再生することが可能です。設計書などが残っていない場合も、在庫品の光学的なスキャニングによって、まるまる複製するようなリバースエンジニアリングを現地で実施することが可能です。
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これまで人が行っていた作業を肩代わりしてくれる産業用ロボットを導入することで、以下のように様々なメリットがあります。
省人化
産業用ロボットにより自動化した工程では人を配置する必要がなくなり、人員を減らすことができるので省人化につながります。人手が不足している製造業において、省人化は産業用ロボットを導入する最大のメリットです。
生産性・効率アップ
人の代わりとなって働く産業用ロボットは、人には危険な作業も任せることができるため作業効率が向上します。また、作業現場に人がいない夜の間も24時間稼働し作業し続けることが可能なので、生産性の向上にも大きく貢献します。
安定した品質の維持
人の手で作業を行っていると、どうしても高い集中力を保ち続けることは難しく人為的なミスが起きる可能性を完全には防げません。しかし産業用ロボットを導入すればそのようなヒューマンエラーの心配はなくなり、安定した品質の製品づくりが可能になります。
コスト削減
産業用ロボットの設定や導入による初期コストは多く発生しますが、作業の生産性や効率がアップすることで、長期的に見るとトータルでのコストの削減につながります。
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