3Dプリント用ロボットアーム：主要メーカー、メリット・デメリット

3Dプリント用ロボットアームは、3Dプリントヘッドを搭載した産業用多関節機械アームです。これにより産業スケールでの3Dプリントに必要な規模と汎用性が得られます。ワイヤーアーク積層造形（金属プリント）やペレット押出（ペレットプリント）など、さまざまな3Dプリント技術に適用可能です。3Dプリントロボットは急速に開発が進み、そのスケールゆえに建設業界への応用が期待されています。ロボットアームサプライヤーとサードパーティ3Dプリント専門企業の多数のコラボレーションが進行中で、スケールでの積層造形へのさまざまなアプローチの開発・商用化が進められています。本記事では3Dプリント用ロボットアーム、そのメーカー、利点、欠点を解説します。

3Dプリント用ロボットアームとは？

3Dプリント用ロボットアームはロボットアーム製造の一形態です。産業用多関節ロボットアームを用いてプリントヘッドを動かし、積層造形でコンポーネントを製造します。ロボット積層造形（RAM：Robot Additive Manufacturing）とも呼ばれます。熱溶解積層法（FDM）や指向性エネルギー堆積（DED）など確立された3Dプリント手法を利用できますが、供給材料をガントリーではなくロボットアームで移動・位置決めします。図1は産業用途で使用される標準的な多関節ロボットアームを示します：

詳細は「3Dプリントについての全て」をご覧ください。

3Dプリントプロジェクトでロボットアームを使う利点

ロボットアーム3Dプリントには多くの貴重な利点があります：

1. 3Dプリントにロボットアームを使用することで、典型的な自立型3Dプリンターと比較して、即座に大型モデル（任意寸法で＞1m）をプリント可能になります。ロボットが移動可能なら、1寸法で最大30mのモデルもプリントできます。
2. 5軸または6軸動作によりプリントヘッドに移動自由度が生まれ、複雑な経路をトレースしてコンポーネントを構築できます。
3. プリントヘッドの移動自由度により、ほとんどのモデルをサポートなしで造形可能。ただし、一部モデルで完全にサポートを排除するには、ビルドプラットフォームも移動し、モデルを再配向できる必要があります。
4. ロボットアームにWAAMやCBAMなど複数供給材料を可能にする様々な3Dプリントフィクスチャーを装着可能。

3Dプリントプロジェクトでロボットアームを使う欠点

ロボットアーム3Dプリントには多くの複雑さと制約があります：

1. すでに高価な積層造形システムに、意味のあるコストが上乗せされます。統合セットアップは$100,000超が見込まれます。
2. 複雑性。
3. ほとんどのロボットアーム3Dプリントセットアップは、アームを一社、プリントヘッドを別社、場合によってはソフトウェアを第三の専門サプライヤーから調達して組み立てられます。単一ベンダーからオールインワンソリューションを購入することは一般的でも容易でもありません。これにより異なるプラットフォームの統合に困難が生じます。

ロボットアーム3Dプリントメーカーのソリューション

一般的に、ロボットアームメーカーがロボットを供給し、3Dプリント組織とコラボレーションします。そして3Dプリント技術パートナーが、ロボットアームサプライヤーの協力を得て、積層造形への独自アプローチを開発します。以下に様々なロボットアーム3Dプリントメーカーを列挙します：

1. ABB

ABBは大手多国籍企業。ロボットアーム設計・供給を担うのはABB Roboticsです。ABBはロボット供給に加え、人気のRobotStudio®ソフトウェアを提供し、Massive Dimensionなど専門組織とコラボレーションして3Dプリント技術を推進しています。

2. KUKA

KUKAはドイツの自動化・ロボティクス企業で、ロボットアーム3Dプリンターで広く採用されています。人間と協働するコボットも専門としています。Orbital Compositesなど他3Dプリントチームと提携し、ロボットが複数の3Dプリント用途で使用されています。

3. Comau

Comauはイタリアの自動化・ロボティクスサプライヤー。ロボットアーム運用へのIoTとAI統合に特に注力しています。CEADやContinuous Compositesなどサードパーティ3Dプリント企業がComauロボットアームを製造に使用しています。

4. Hyperion Roboticsのロボットアーム

Hyperionはフィンランド・ヘルシンキ発で、建設業界に特化。セメント含有量を抑え、リサイクル廃棄物を最大化した独自建設用混合材を開発し、3Dプリント構造物へ押出しています。

5. CEAD

CEADはオランダ・デルフト拠点。3DプリントとCNCフライス加工機能を単一ユニットに統合する点でユニークです。特にCEADのAM Flexbotが単一製造ステーションとして多くの用途を見出しています。

6. Weber AdditiveのDXRシリーズ

ドイツのWeber Additiveはロボットアーム3DプリンターのDXRシリーズで知られます。ポリマー用押出機で積層造形を行います。

7. Orbital Composites

Orbital Compositesはロボットアーム3Dプリント業界のパイオニア。Orbital Sは初の産業スケールロボット3Dプリンターで、驚異的な速度2m/sを誇ります。

8. Massive Dimension

Massive Dimensionは大規模3Dプリントに注力し、ターンキーのロボットプリントセルを提供。技術はポリマーペレット押出に焦点を当てています。

9. Dyze Design Pulsar

Dyze DesignのPulsar™は、多様な運用条件を管理することを意図した大規模ペレット押出積層造形システムです。ヒートシールド、水冷回路、複数ノズルサイズを備え、様々なポリマーでプリント可能です。

10. MX3D

オランダのMX3Dは、現在アムステルダムに設置されている鋼製歩行者橋の3Dプリントで広く知られています。WAAM技術で金属プリントに注力し、専用ソフトウェアまで自社開発しています。

11. Continuous Composites

Continuous Compositesは特許取得のカーボンファイバープリント技術CF3Dで成功を収めています。NASAから宇宙用コンポーネント製造で契約を獲得しています。

12. Branch Technology

Branch Technologyは完全3Dプリントパビリオン（ナッシュビル）など構造物プリントに注力。建築家・デザイナーと協力し、建築への3Dプリント応用を推進しています。

ロボットアームの3Dプリントでの仕組み

3Dプリント用ロボットアームは、典型的な産業用ロボットアームと非常に似た仕組みで動作しますが、アーム先端にプリントヘッドが取り付けられています。ロボットアームは複数の関節を持ち、それぞれが自由度を提供し、合計で5軸または6軸制御を実現します。これによりロボットはプリントヘッドを潜在的位置の範囲で移動、傾斜、位置決めできます。この方法でロボットアームがコンポーネント上を移動し、複数層と輪郭をプリントします。

ロボットアーム3Dプリントのソフトウェアオプション

ロボットアームプリント用ソフトウェアは、モデルを正確にプリントするためにロボットヘッドが通過すべき最適経路を計算することに焦点を当てています。以下に3つの人気オプションを示します：

1. ABBのRobotStudio® 3D Printing PowerPac： 溶接や顆粒プリントなど様々な積層造形プロセスを管理可能。RobotStudio®でプリント全体をシミュレーション・可視化し、実際のロボットへ送信して造形。
2. ADAXISのAdaOne： 経路計画ソフトウェアで、複数ロボットブランドとその内部プログラミング言語で動作可能。複数プリント材料に対応。
3. MX3DのMetalXL： MX3Dの焦点であるWAAM（ワイヤーアーク積層造形）専用ソフトウェア。プリント実現性と経路計画、シミュレーションとプリント制御、プリント後分析モジュールを含む。

3Dプリント用ロボットアームに関するよくある質問

3Dプリントロボットアームの寿命は？

3Dプリントロボットアームの寿命は8年程度と見込まれます。これは複数業界で使用される産業用多関節ロボットアームの現在の寿命に基づきます。これらのロボットは20年まで有用に稼働可能です。しかし、3Dプリントへの応用はまだ比較的最近で激しい開発段階にあるため、より長い寿命は可能性が低いです。また、ロボット自体が8年後も良好に稼働していても、ロボットアーム先端に搭載された3Dプリント機械はそれほどの長寿命は期待できません。これは最近の開発であることと、技術進化の速さにより陳腐化する可能性があるためです。

ロボットアームで家をプリントできる？

いいえ、典型的な多関節ロボットアームでは家をプリントできません。ロボットアーム3Dプリンターの造形ボリュームは、アーム寸法と固定ベースからの距離で制限されます。したがってロボットアーム3Dプリンターは一般的にコンポーネント造形のみ可能で、それらを組み立てて建物など大型オブジェクトを作ります。家をプリントできる大規模3Dプリンターは、ガントリー式3Dプリンターの特殊版で、家をカバーする十分な造形ボリュームを確保するためより大型構造を建設します。

ロボットアームのプリント可能エリアは限定される？

はい、ロボットアームのプリント可能エリアは限定されます。ほとんどのロボットアームは固定ベースを持ち、その周囲の到達範囲はアーム長で制限されます。3Dプリントでは到達範囲は約1.5m程度です。一部ロボットアームはレールに搭載されており、その方向に追加プリントエリアが生まれます。しかし本質的に、プリント可能エリアはロボットアームの実用的到達範囲で制限されます。

ロボットアームは3Dソフトウェアに品質で依存する？

はい、ロボットアームは最終プリントパーツの品質で3Dソフトウェアに依存します。大規模3Dプリントは驚くほど複雑で、ロボットアームの動きはソフトウェアで慎重に制御される必要があります。プリント材料とその温度・湿度による収縮特性に応じて、プリントを制御するソフトウェアはその収縮をモデル化できる必要があります。さらに、成長する造形物として発展中のパーツを正確にモデル化し、ロボットアームがビルド成長に伴い衝突しないよう確保する必要があります。供給材料の固化特性を正確にモデル化できないソフトウェアでは、ロボットアームの移動精度がどれだけ高くても良好な最終品質は得られません。

ロボットアームとガントリーシステムの3Dプリントでの違いは？

ロボットアームとガントリーシステムには3Dプリントでいくつかの違いがあります。第一に、ロボットアームは6軸動作可能ですが、ガントリーシステムは3軸のみです。これによりロボットアームは曲面・球体アイテムのプリントに適し、ガントリーシステムは立方体プリントに適します。しかしガントリーシステムはロボットアームより大型ユニットをプリント可能です。ガントリーシステムの一般的精度もロボットアームより高い傾向があります。ロボットアームはポイント精度（特定エンドポイント）は非常に良好ですが、移動経路上の精度はまだ改善途上です。詳細は「3Dプリントにおけるロボットアームvsガントリーシステム」をご覧ください。

まとめ

本記事では3Dプリント用ロボットアームを紹介し、定義と様々な応用を解説しました。3Dプリント用ロボットアームについてさらに知りたい場合は、Xometry担当者までお問い合わせください。

Xometryは3Dプリントを含む幅広い製造能力と、試作・量産ニーズ全てに対応する付加価値サービスを提供しています。ウェブサイトをご覧いただくか、無料・無義務の見積もりをご請求ください。

著作権および商標に関する通知

1. RobotStudio®はABB AB、Västeras、Swedenの登録商標です
2. Pulsar™はDyze Design Inc.、LeMoyne、Quebecの商標です

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Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学の優等学士号を取得し、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなどの大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

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