ロボットアーム vs ガントリーシステム：造形サイズと設置面積で選ぶ最適な3Dプリント架構

3Dプリンター業界には明確な二極化があります。確立された市場の大半は、フレームやガントリーに組み込まれたモーションシステム内で動作する機械、すなわちガントリー型マシンで構成されています。これらにはスライドレールとドライブが内蔵されています。一方、業界の多くは、自立型ロボットアームをベースにした大型機械を支持しています。これは、機械の設置面積を小さく抑えながら、造形サイズの潜在能力を高めるものです。

ロボットアーム3Dプリントのメリットが真に発揮されるのは、アームのリーチによって造形体積が定義される大型造形においてであり、ガントリーの剛体的な境界内に制限されません。この記事では、3Dプリントにおけるロボットアームとガントリーシステムの違いをさらに探ります。

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、より一般的なX-Y-Z直交方式とは大きく異なる機械アームです。このアームは、より広範な方向と姿勢で動作できるため、より多くの自由度を用いて3Dオブジェクトをプリントすることを可能にします。詳細については、3Dプリンターロボットアームのガイドをご覧ください。

図1はロボットアーム3Dプリンターの一例です：

ロボットアーム3Dプリントは、小さな部品の製造には一般的に使用されません。小規模では直交型マシンの方が実用的であるという難しさがあるためです。ロボットアームは、特に小規模ではガントリー型と比較してコストが高くなりがちです。

一般的に、自動車や航空宇宙分野での大型部品プリントでは、ロボットアームに3Dプリント用エクストルーダープリントヘッド（FDM/FFF/FGF）やレーザー/TIG溶接ヘッドを搭載します。

これらのいずれも、材料を堆積させて最終的なオブジェクトを作成できます。アームはエクストルーダーを精密なパターンで動かすようプログラムされ、オブジェクトが完成するまで材料を堆積させます。しかし、このようなアームセットアップは、レイヤー構造をより複雑な構造に変更する押出ベースのプロセスで動作できます。これは、追加の自由度により、アームがプリントプロセスにより複雑な方法（非平面プリントなど）でアプローチできるためです。

ロボットアーム3Dプリントは、直交型マシンでは困難または不可能な、複雑な形状の大型オブジェクトや部品のプリントに使用できます。

ロボットアームでプリントできるプロジェクト

ロボットアーム3Dプリントは、直交型マシンでは実現できない自由度をもたらします。プリント可能な例を以下に示します：

1. 一般的な3Dプリンターでは大きすぎる大型オブジェクト。例：大型自動車部品、実物大の家具、建築部材、建物全体。
2. エクストルーダーを交換することで、複数の材料、異なる色、添加剤を使用可能。
3. 装置の剛性と品質に依存しますが、ロボットアームプリンターは動きにおいて高精度を実現できます。これにより、大型または複雑な設計を実行しながら高精度を維持できます。
4. 運動の自由度が高いため、非定型の形状や方向でのプリントがより実現しやすくなります。これにより、曲面への直接プリント（非平面プリント）や、造形物の裏側へのプリントが可能になります。
5. 複雑な形状の3Dプリントが可能です。アームは材料の通過を中断し、障害物の反対側から継続できます。これにより、直交型3Dプリント技術では不可能なインターロッキング（噛み合い）オブジェクトのプリントが可能になります。

ロボット3Dプリントの能力は、アームのサイズと剛性、動作の精度と再現性によってのみ制限され、プリントされるオブジェクトの複雑さによっては制限されません。

3Dプリントにおけるロボットアームのメリット

ロボットアーム3Dプリントがガントリー/直交型マシンに対して持つ重要なメリットは以下の通りです：

1. 造形エリア/体積： 比較的小型の機械で非常に大型のプリントが可能。リーチ体積のみによって制限されます。
2. サイズ： 小型装置で大型プリントを実現。
3. コスト/サイズ比： ロボットアームは安価ではありませんが、能力が劣る超大型直交プリンターと競合できるコストパフォーマンスです。
4. 部品形状： 造形への多軸アクセスにより、造形形状の制約が大幅に少なくなります。
5. 異方性制御： 造形の「木目（層方向）」を領域ごとに選択可能。厳密な単軸積層が不要なため、部品強度を様々な方向に配向させ、プリント品の全体的な堅牢性を向上できます。

3Dプリントにおけるロボットアームのデメリット

ロボットアーム3Dプリントは直交プリント手法に対してメリットがある一方で、デメリットも存在します：

1. ロボット3Dプリントの導入コストは高く、中小企業や個人にとっては費用が障壁となります。
2. ロボット3Dプリントは、プリントジョブの作成/実行と初期ハードウェアセットアップの両面で、直交/ガントリー型プリンターよりかなり高度な技術的専門知識を必要とします。
3. ロボットは本質的にガードされておらず、第三者を容易に負傷させる可能性があります。バリアと侵入センサーの使用が必須です。
4. すべての機械と同様、ロボットアームにも定期メンテナンスと時折の修理が必要です。これは直交/ガントリー型3Dプリンターよりも、かなりコストと時間がかかる可能性があります。

ロボットアームは6軸か？

はい、ロボット3Dプリンターはしばしば6軸を持ちますが、自由度がより少ないロボットアームも多く存在します。6軸ロボットアームは、3つの回転軸（ロール、ピッチ、ヨー）と3つの並進軸（上下、左右、前後）の6つの動作軸を持ちます。6軸可動は、3Dプリントに使用される産業用ロボットアームの標準です。一部のロボット3Dプリンターは、用途に応じて6軸より多い（または少ない）軸を持つ場合があります。

3Dプリント用ガントリーシステムとは？

3Dプリント用ガントリーシステムは、ビームとスライドレールで構成される構造体で、プリントヘッド/エクストルーダーを支持し、移動とプリント中のガイドを行います。重要な機能は剛性と精度であり、プリント適用点を造形体積内で精確に位置決めします。ガントリーシステムは、デルタ型やデカルト型プリンターよりも大きな造形高さ（従って体積）を実現できます。ガントリーシステムはほとんどの3Dプリント技術に適用可能です。Z軸機構によるプリント深さの実現は、Z軸機構を搭載したガントリーの移動、または別機構によるビルドテーブルの移動のいずれかによります。

ガントリーシステムは、その本質的な剛性と大きな造形体積の可能性から、産業/プロフェッショナル用と家庭/ホビー用の両方で広く普及しています。図2は3Dプリント用ガントリーシステムの一例です：

ロボットアーム vs ガントリーシステムに関するよくある質問

3Dプリントにおけるロボットアームのガントリーシステムに対する主なメリットは？

ロボットアームのガントリーシステムに対する主なメリットは、大型プリントにおける長いリーチ/大きな造形体積です。大型直交ガントリープリンターを建設現場に移動するには、通常、輸送のために分解が必要で、現場でのセットアップが極めて困難になります。ロボットアームは中程度のサイズに収納でき、目的の建設場所に容易に設置できます。

3Dプリントにおけるガントリーシステムのロボットアームに対する主なメリットは？

ガントリー型3Dプリンターは、ロボットアーム型マシンよりも購入、運用、維持コストが低廉です。

建設に使用される3Dプリンタータイプは？

建設にはガントリー型とロボットアーム型の両方が使用され、サイズなどさまざまな要因によって決まります。現場直接造形（ビルドインプレース）はロボットアームプリンターでより一般的ですが、固定現場での部品製造はガントリー型マシンの方が実用的です。

金属プリントに使用される3Dプリンタータイプは？

ほとんどの金属3Dプリンター（特に粉末床溶融融解ベースのもの）は、レーザーと回転ミラーを使用し、レーザーを粉末床に照射します。これらはロボット型でもガントリー型でもありません。一般的に不活性ガス環境下で制御された環境で動作し、小型部品に適しています。

しかし、大型部品製造に用いられる特定の金属プリント技術、特にWAAM（ワイヤーアーク積層造形）システムでは、アーク溶接機をロボットアームに搭載することがよくあります。

大型機におけるロボットアームベースプリントのメリットにより、これは実用的ではあるが一般的ではない選択肢であり、市場（ひいては機械メーカー）が関心を高めています。

これらの3Dプリンターにはメンテナンスが必要か？

はい、すべての3Dプリンターは信頼性のある精度を出すために広範な定期メンテナンスを必要とします。一部の観点では、3Dロボットアームプリンターはメンテナンス頻度が少ないですが、そのメンテナンスは直交/ガントリー型3Dプリンターよりもかなり複雑で高コストです。

これらの3Dプリンターには造形可能エリアの制限があるか？

ほとんどの3Dプリンターには造形可能エリアの制限があります。ただし、移動性を持つもの（CyBe RTコンクリート3Dプリンターなど）や、「無限」軸（コンベアベルト形式）を持つものを除きます。

これらの3Dプリンターは長持ちするか？

はい、メンテナンスが徹底的かつ定期的で、必要な部品が入手可能であれば、3Dプリンターは長持ちします。これらの機械は、コスト効率が良い限り機能し続けます。この分野では陳腐化が速く、性能で新開発に追い抜かれたり、プリントコストで劣後したりします。そのため、機械の商業的採算性が継続運用の決定要因となる可能性が高いです。

Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学の優等学士号を持ち、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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