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変革しています。ロボットによる自動化と高度なモーションコントロールを積層造形と切削造形に導入する際の最新のヒントとアプリケーション、そして次世代のハイブリッド積層造形法について学びましょう。
自動化の進歩
サラ・メリッシュとローズメアリー・バーンズ著
電力変換デバイス、モーションコントロール技術、極めて柔軟なロボット、そしてその他様々な先進技術の導入は、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ます。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造形は、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す。
3Dプリンティングと呼ばれる積層造形（AM）は、通常デジタル設計データを用いて、材料を層状に重ね合わせ、下から上へと積層することで立体的な物体を作製する、従来とは異なる手法です。多くの場合、ニアネットシェイプ（NNS）部品を無駄なく製造できるため、AMは基本的な製品設計から複雑な製品設計まで、自動車、航空宇宙、エネルギー、医療、輸送、消費財などの業界で広く利用されています。一方、AMは材料ブロックから高精度の切削加工や機械加工によって部分的な削り取りを行い、3D製品を作成します。
重要な違いはあるものの、積層造形と切削造形は必ずしも相反するものではなく、製品開発の様々な段階を補完するために活用できます。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ます。製品が完成すると、より大きなバッチ数が必要になる場合があり、切削造形への移行が検討されます。最近では、時間的な制約が厳しい用途において、損傷した部品や摩耗した部品の修理、リードタイムの短縮による高品質部品の製造など、積層造形と切削造形を組み合わせたハイブリッドな手法が採用されています。
自動化を進める
厳しい顧客ニーズに応えるため、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様々なワイヤー素材を部品製造に取り入れています。柔らかくも強度のある基材から始まり、硬く耐摩耗性に優れた部品で仕上げます。これにより、特にワイヤアーク積層造形（WAAM）、WAAMサブトラクティブ、レーザークラッディングサブトラクティブ、装飾といったプロセスにおいて、積層造形とサブトラクティブ造形の両方の環境において、生産性と品質を向上させる高性能ソリューションの必要性が浮き彫りになっています。主なソリューションは以下のとおりです。
- 高度なサーボ技術:市場投入までの時間短縮や顧客の設計仕様への対応、特に寸法精度と仕上げ品質への配慮から、エンドユーザーはステッピングモーターではなくサーボシステムを搭載した高度な3Dプリンターを採用し、最適な動作制御を実現しています。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機能によって製造業者が抱える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、反共振フィルター、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階段状の線を排除できる非常にスムーズな動きを実現します。
- 速度向上：350 mm/秒のプリント速度が実現しました。これは、ステッピングモーターを使用した3Dプリンターの平均プリント速度の2倍以上です。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 m/秒の移動速度を実現できます。高性能サーボによる極めて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させることができます。これにより、所望の仕上がり品質を得るためにシステム全体を減速させる必要性が大幅に軽減されます。さらに、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時間あたりにより多くの部品を製造できるようになります。
- 自動チューニング: サーボ システムは独自にカスタム チューニングを独立して実行できるため、プリンターの機構の変更や印刷プロセスの変動に適応できます。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、プロセスの変更や機構の不一致を補正することはほぼ不可能です。
- エンコーダ フィードバック: 絶対エンコーダ 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 1 回だけ実行すれば済むため、稼働時間の増加とコストの節約につながります。ステッピング モーター テクノロジを使用する 3D プリンターにはこの機能がないため、電源を入れるたびにホーミングを実行する必要があります。
- フィードバックセンシング：3Dプリンターの押出機は、印刷プロセスにおいてボトルネックとなることがよくあります。ステッピングモーターには、押出機の詰まりを検出するためのフィードバックセンシング能力がありません。この欠陥は、印刷ジョブ全体の失敗につながる可能性があります。この点を考慮し、サーボシステムは押出機の詰まりを検出し、フィラメントの剥離を防止します。優れた印刷性能の鍵は、高解像度光学式エンコーダを中心とした閉ループシステムです。24ビットのアブソリュート高解像度エンコーダを搭載したサーボモーターは、16,777,216ビットの閉ループフィードバック分解能を提供し、軸と押出機の精度を向上させるだけでなく、同期と詰まり防止も実現します。
- 高性能ロボット：堅牢なサーボモータが積層造形アプリケーションを変革しているように、ロボットも同様に変革を起こしています。優れたパス性能、堅牢な機械構造、高い防塵（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プリンターの活用に伴う要求の厳しいプロセスだけでなく、切削型造形や積層造形と切削型造形を組み合わせたハイブリッド方式の主要工程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自動化は、複数のマシンでプリントされたパーツのハンドリングを幅広く含みます。プリントマシンから個々のパーツを降ろすことから、複数パーツのプリントサイクル後のパーツの分離まで、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を向上させます。
従来の3Dプリンティングでは、ロボットが粉末管理、つまり必要に応じてプリンターの粉末を補充し、完成した部品から粉末を除去するのに役立ちます。同様に、金属加工でよく行われる研削、研磨、バリ取り、切断といった部品仕上げ作業も容易に行えます。品質検査、梱包、物流のニーズもロボット技術によって真正面から満たされ、製造業者はカスタム製造などのより付加価値の高い作業に時間を割くことができます。
大型のワークピースの場合、リーチの長い産業用ロボットを3Dプリンターの押出ヘッドに直接移動させるツールとして活用されています。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ツールと組み合わせることで、空間的な自由形状構造物の作成に必要な作業スペースが確保されます。従来のラピッドプロトタイピングに加え、ロボットは大型の自由形状部品、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活用されています。 - 多軸マシンコントローラ:最大 62 軸のモーションを単一環境で接続できる革新的なテクノロジにより、付加的、減算的、ハイブリッド プロセス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マルチ同期が可能になりました。デバイス ファミリ全体が、PLC (プログラマブル ロジック コントローラ) または MP3300iec などの IEC マシン コントローラの完全な制御と監視の下でシームレスに連携できるようになりました。多くの場合、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のようなプロフェッショナル プラットフォームは、使い慣れたツール (RepRap G コード、機能ブロック図、構造化テキスト、ラダー図など) を活用します。簡単に統合してマシンの稼働時間を最適化するために、ベッド レベリング補正、押し出し機の圧力アドバンス制御、複数のスピンドルと押し出し機の制御などの既成ツールが含まれています。
- 高度な製造ユーザー インターフェース:3Dプリンティング、形状切削、工作機械、ロボット工学といったアプリケーションに非常に有益な、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、汎用性の向上を実現します。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、メーカーが画面をブランド化し、簡単にカスタマイズすることを可能にします。これらのツールは、C#プラグインの豊富なライブラリをあらかじめ用意しているか、カスタムプラグインをインポートできるため、主要な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。
上昇する
加法と減法の単独プロセスは依然として人気がありますが、今後数年間で、加法と減法を組み合わせたハイブリッドプロセスへの移行が進むでしょう。2027年までに年平均成長率（CAGR）14.8%で成長すると予想されています。1ハイブリッド積層造形機市場は、進化する顧客ニーズの高まりに対応できる態勢が整っています。競争で優位に立つためには、メーカーは自社の業務におけるハイブリッド方式の長所と短所を比較検討する必要があります。必要に応じて部品を製造できること、そして二酸化炭素排出量の大幅な削減など、ハイブリッド積層造形プロセスは魅力的なメリットをもたらします。しかし、これらのプロセスに用いられる高度な技術は見逃すべきではなく、生産性と製品品質の向上を促進するために現場に導入されるべきです。
投稿日時: 2021年8月13日
