サーボモーターとロボットは、積層造形アプリケーションを大きく変革しています。積層造形および切削加工におけるロボット自動化と高度なモーションコントロールの実装に関する最新のヒントと応用例、そして今後の展望であるハイブリッド積層造形／切削加工について学びましょう。
自動化の推進
サラ・メリッシュとローズマリー・バーンズ著
電力変換装置、モーションコントロール技術、極めて柔軟性の高いロボット、そしてその他様々な先進技術の採用は、産業界全体における新たな製造プロセスの急速な成長を牽引する要因となっている。試作品、部品、製品の製造方法に革命をもたらした積層造形と切削加工は、製造業者が競争力を維持するために求める効率性とコスト削減を実現した代表的な例である。
3Dプリンティングとも呼ばれる積層造形（AM）は、従来とは異なる方法で、通常はデジタル設計データを使用して、材料を下から上へと層ごとに融合させることで立体的な物体を作成します。多くの場合、廃棄物を出さずにニアネットシェイプ（NNS）部品を作成できるため、AMは基本的な製品設計から複雑な製品設計まで幅広く利用され、自動車、航空宇宙、エネルギー、医療、輸送、消費財などの業界に浸透し続けています。一方、切削加工は、高精度な切削や機械加工によって材料のブロックから一部を取り除き、3D製品を作成するプロセスです。
重要な違いはあるものの、積層造形と切削加工は必ずしも排他的なものではなく、製品開発の様々な段階で相互補完的に活用できる。初期のコンセプトモデルやプロトタイプは、多くの場合、積層造形によって作成される。製品が完成すると、より大規模な生産が必要となり、切削加工が用いられるようになる。近年では、時間的制約が厳しい場合、損傷・摩耗した部品の修理や、リードタイムを短縮した高品質部品の製造などにおいて、積層造形と切削加工を組み合わせたハイブリッド方式が採用されている。
自動転送
厳しい顧客要求に応えるため、製造業者はステンレス鋼、ニッケル、コバルト、クロム、チタン、アルミニウムなどの異種金属を含むさまざまなワイヤ材料を部品構造に組み込んでいます。これは、柔らかくも丈夫な基材から始まり、硬く耐摩耗性に優れた部品で仕上げるというものです。このことから、特にワイヤアーク積層造形（WAAM）、WAAM除去加工、レーザークラッディング除去加工、装飾加工などのプロセスにおいて、積層造形と除去加工の両方の環境で、生産性と品質を向上させるための高性能ソリューションの必要性が明らかになりました。主な内容は以下のとおりです。
- 先進的なサーボ技術：寸法精度や仕上がり品質が求められる市場投入までの時間短縮目標や顧客の設計仕様に適切に対応するため、エンドユーザーは最適なモーションコントロールを実現するサーボシステム搭載の先進的な3Dプリンター（ステッピングモーターではなく）に注目しています。安川電機のSigma-7などのサーボモーターの利点は、積層造形プロセスを根本から変革し、プリンターの性能向上を通じて製造業者が一般的な課題を克服するのに役立ちます。
- 振動抑制：堅牢なサーボモーターは、振動抑制フィルターに加え、共振防止フィルターやノッチフィルターを備えており、ステッピングモーターのトルクリップルによって生じる視覚的に不快な段差線を解消し、非常に滑らかな動作を実現します。
- 速度向上：350 mm/秒の印刷速度が実現し、ステッピングモーターを使用する3Dプリンターの平均印刷速度の2倍以上になりました。同様に、ロータリーサーボ技術を使用すれば最大1,500 mm/秒、リニアサーボ技術を使用すれば最大5メートル/秒の移動速度を達成できます。高性能サーボによる非常に高速な加速機能により、3Dプリントヘッドをより迅速に適切な位置に移動できます。これにより、望ましい仕上がり品質を得るためにシステム全体の速度を落とす必要性が大幅に軽減されます。結果として、このモーションコントロールのアップグレードにより、エンドユーザーは品質を犠牲にすることなく、1時間あたりに製造できる部品数を増やすことができます。
- 自動チューニング：サーボシステムは独自のカスタムチューニングを独立して実行できるため、プリンターの機械的な変化や印刷プロセスのばらつきに対応できます。3Dステッピングモーターは位置フィードバックを利用しないため、プロセスの変化や機械的な不一致を補正することはほぼ不可能です。
- エンコーダーフィードバック：絶対エンコーダーフィードバックを提供する堅牢なサーボシステムは、ホーミングルーチンを一度実行するだけで済むため、稼働時間の向上とコスト削減につながります。ステッピングモーター技術を使用する3Dプリンターにはこの機能がなく、電源を入れるたびにホーミングを行う必要があります。
- フィードバックセンシング：3Dプリンターのエクストルーダーは、印刷プロセスにおいてボトルネックとなることが多く、ステッピングモーターにはエクストルーダーの詰まりを検出するフィードバックセンシング機能がありません。この欠陥は、印刷ジョブ全体を台無しにする可能性があります。この点を踏まえ、サーボシステムはエクストルーダーの詰まりを検出し、フィラメントの剥離を防ぐことができます。優れた印刷性能を実現する鍵は、高解像度光学エンコーダーを中心としたクローズドループシステムです。24ビット絶対高解像度エンコーダーを備えたサーボモーターは、16,777,216ビットのクローズドループフィードバック解像度を提供し、軸とエクストルーダーの精度、同期、詰まり防止を向上させます。
- 高性能ロボット：堅牢なサーボモーターが積層造形アプリケーションを変革しているのと同様に、ロボットもまた変革をもたらしています。優れた経路性能、堅牢な機械構造、高い防塵性能（IP）等級に加え、高度な防振制御と多軸機能を備えた柔軟性の高い6軸ロボットは、3Dプリンターの利用に伴う要求の厳しいプロセスはもちろんのこと、切削加工や積層造形と切削加工を組み合わせたハイブリッド方式における重要な作業にも理想的な選択肢となります。
3Dプリンターを補完するロボットによる自動化は、複数台のプリンターが設置された環境での印刷部品の取り扱いを幅広く担います。印刷機から個々の部品を取り出すことから、複数部品の印刷サイクル後に部品を分離することまで、柔軟性と効率性に優れたロボットが作業を最適化し、スループットと生産性の向上を実現します。
従来の3Dプリンティングでは、ロボットは粉末管理、必要に応じたプリンター用粉末の補充、完成品からの粉末除去などに役立ちます。同様に、研削、研磨、バリ取り、切断など、金属加工で一般的な部品仕上げ作業も容易に行えます。品質検査、梱包、物流といったニーズもロボット技術によって直接満たされ、製造業者はカスタム製造などの付加価値の高い作業に時間を集中させることができます。
大型ワークピースの場合、長尺産業用ロボットが3Dプリンターの押出ヘッドを直接移動させるように改造されています。これは、回転ベース、ポジショナー、リニアトラック、ガントリーなどの周辺機器と組み合わせることで、空間的に自由形状の構造物を作成するために必要な作業スペースを提供します。従来のラピッドプロトタイピングに加え、ロボットは、大容量の自由形状部品、金型、3D形状のトラス構造、大型ハイブリッド部品の製造にも使用されています。 - 多軸マシンコントローラ：最大 62 軸のモーションを単一の環境で接続できる革新的なテクノロジーにより、積層造形、切削加工、ハイブリッド加工で使用される幅広い産業用ロボット、サーボ システム、可変周波数ドライブの多重同期が可能になりました。MP3300iec などの PLC (プログラマブル ロジック コントローラ) または IEC マシン コントローラの完全な制御と監視の下で、デバイス ファミリー全体がシームレスに連携して動作できます。MotionWorks IEC などの動的な 61131 IEC ソフトウェア パッケージでプログラムされることが多いこのようなプロフェッショナル プラットフォームは、RepRap G コード、ファンクション ブロック図、構造化テキスト、ラダー図などの使い慣れたツールを使用します。容易な統合と機械の稼働時間の最適化を容易にするために、ベッド レベリング補正、押出機圧力前進制御、マルチ スピンドルおよび押出機制御などの既製ツールが含まれています。
- 先進的な製造業向けユーザーインターフェース：3Dプリンティング、形状切断、工作機械、ロボット工学などのアプリケーションに非常に役立つ多様なソフトウェアパッケージは、カスタマイズが容易なグラフィカルマシンインターフェースを迅速に提供し、より高い汎用性への道を開きます。創造性と最適化を念頭に設計されたYaskawa Compassのような直感的なプラットフォームは、メーカーがブランドを確立し、画面を簡単にカスタマイズすることを可能にします。コアマシン属性の組み込みから顧客ニーズへの対応まで、プログラミングはほとんど必要ありません。これらのツールは、豊富なC#プラグインライブラリを提供するか、カスタムプラグインのインポートを可能にするからです。
乗り越えよう
単一の加算および減算プロセスは依然として人気があるものの、今後数年間で加算/減算ハイブリッド方式への移行が進むと予想される。2027年までに年平均成長率（CAGR）14.8%で成長すると予測されている。1ハイブリッド積層造形機市場は、進化し続ける顧客ニーズの高まりに対応できる態勢を整えています。競争優位性を確立するためには、製造業者は自社の事業運営においてハイブリッド方式のメリットとデメリットを慎重に検討する必要があります。必要な時に必要な分だけ部品を生産できる能力から、二酸化炭素排出量の大幅な削減まで、ハイブリッド積層造形／切削加工プロセスは魅力的な利点を提供します。いずれにせよ、これらのプロセスにおける先進技術を見過ごすべきではなく、生産性と製品品質の向上を促進するために、製造現場に導入すべきです。
投稿日時：2021年8月13日
