自動車メーカー、協働ロボットと3Dプリンティングで生産を強化

自動車業界はより高度なロボットを導入し、3Dプリンティングを模索し、その他の先進技術を統合しつつある。

米国自動車業界は数十年にわたり自動化されてきた。車・トラック生産は、人間からフェンスで隔離された大型・巨大ロボットのイメージと結びついている。それらのフェンス内で、溶接などの作業が行われる。

しかし業界は自動化の面で前進している。自動車メーカーとサプライヤーは、協働ロボット（コボット）の活用に向かっている。こうしたデバイスはより小型で、高い器用さを持ち、人間オペレーターと安全に共存配置できる。

さらに、業界は3Dプリンターの活用拡大も目指す。フォード・モーターとBMWは、積層造形メーカーと直接協力し技術導入を検討。企業はバーチャルリアリティと拡張現実も製造課題解決に活用。多くの製造業者と同様、自動車業界もインダストリー4.0——「接続された」機械同士、および機械と人間オペレーターが通信する——を最大限活用したいと考えている。

「新しい自動化が1980年代の自動化とどう異なるか、多くの側面があります」と、ミシガン州アナーバーの自動車研究センター（CAR）で産業・労働・経済担当バイスプレジデントを務めるクリスティン・ジジェック氏。

「現在、自動化は人間の物理的労力を模倣するだけでなく、それをプラント内外の他のサイバーおよびフィジカルシステムと接続しています」とジジェック氏。「つまり、メーカーは自動化からより多くのデータを得られ、個々の自動化ステーションだけでなく、製造システム全体に対するより多くの制御を獲得できるのです。」

自動車自動化トレンドの象徴の一つが、デトロイト郊外レドフォードにあるフォードの新しい先進製造センターだ。ここでは3Dプリンターとコボットが工場現場での活用法を研究されている。センターのVR/AR設備は、世界中のフォード工場が生産設備のフロア配置などの課題に対処する手段だ。

フォードは2017年、全社の製造オペレーションから従業員を集め先進製造組織を結成。昨年、デトロイト地区で産業企業が別場所へ移転した跡地をサイトとして確保した。

「フォード・モーターは自動化と非常に成熟した関係にあります」と、フォードのグローバル先進製造組織チーフエンジニア、マイク・ミクラ氏。「同社は製造技術を加速させたいと考えていました。」

以下に、自動車業界における自動化と新技術の進化のいくつかを示す。

3Dプリンティングがパワーアップ

3Dプリンティング、すなわち積層造形は、デジタル設計から部品を層ごとにプリントする技術だ。この技術は、より大型部品のプリントと、多様な金属でのプリントへシフトしている。航空宇宙は長年積層造形に投資してきた。3Dプリンティングが新設計を可能にし、チタンなど金属のより効率的な利用を約束するからだ。

しかし自動車業界はより大量生産だ。これまで、自動車メーカーとサプライヤーの3Dプリンティング採用は、航空宇宙の対応より遅れていた。

「現在の3Dプリンティング応用は、工具、金型、治具、固定具、一部少量部品に限られる」とCARのジジェック氏。「量産自動車・部品へのより広範な3Dプリンティング採用の真のハードルは、サイクルタイム、コスト、現在のプレス・成形・切削ベースの部品形成プロセスへの沈没コストだ。3Dプリンティングがより速くなり、コストが大幅に下がるまで、自動車業界で広範な大量応用を見ることはないだろう。」

それでも、自動車業界では積層造形開発が進行中だ。

「3Dプリンティング技術自体の進歩が、歴史的に利用できなかった一連のソリューションを生み出している」とフォードのミクラ氏。改善点には「プリント速度とプリント可能な材料の向上。炭素繊維強化ポリマー（CFRP）、先進プラスチック、そして確実に金属の導入が、『アート・オブ・ポッシブル（可能な技術の極致）』の観点から潜在的応用を劇的に変えた。」

「これに」コンピューティング能力の向上を「組み合わせると、ソフトウェアが部品設計を手助けする。同じレベルのエンジニアリング労力とリードタイムをかけずに、全要件を満たす主要なソリューションが得られる。プリントできるものとプリント速度の両面で……3Dプリンティングを非常に興味深い技術にしている。ここでの目標は、製造プロセスに必要な工具と組立支援具を提供する観点から、また3Dプリンティングに関連する技術課題の潜在的克服の観点から、これを活用することだ。」

以前、フォードはStratasys Ltd.とプロトタイプ3Dプリンターで大型部品生産で協業。同社（ミシガン州ディアボーン拠点）はBMWと共に、マサチューセッツ州バーリントン拠点の積層造形企業Desktop Metalへの投資家でもある。フォードのCTO、ケン・ワシントン氏がDesktop Metalの取締役を務める。

フォードとBMWは「これが来ることを知っている」と、Desktop MetalのCTO兼共同創業者、ジョナ・マイヤーバーグ氏。「彼らは急いでいる。車全体で見られるようになるのはまだ数年先だ。」

マイヤーバーグ氏は、3Dプリンティングが金型・治具を超えて拡大する可能性は高いが、不確実性も多いと語る。

「車の一部分だけ見ていてはだめです」と氏。「車全体を見なければならない。我々が試みているのは、3Dプリンティングの主要メリットと我々が見なすものを、彼らの目に開かせることだ。」同氏は、自動車メーカーが技術をトップティアサプライヤーに押し下げる可能性も指摘。

「これらのエンジニアが話さない水面下で、たくさんのことが進行中です」とマイヤーバーグ氏。「我々が顧客にこれらのプリンターをどう使わせるか、ほんの一部しか見えていません。」

9月、HP Inc.は「HP Metal Jet」と呼ぶ新しい3Dプリンティング技術を発表。鋼部品の大量生産を意図している。フォルクスワーゲンAGは2020年代にHP Metal Jet技術でEVを生産する意向だとHPは発表。EVは従来の内燃機関より可動部品が少ない。その結果、EVが自動車業界での積層造形拡大の機会になる可能性がある。

協働ロボット

ロボットは自動車業界の工場現場における自動化の最も初期の例の一つだ。

ロボット採用の初期段階は、危険で反復的な仕事をこなすものだったと、FANUC America Corp.の自動車・コンポーネント市場担当ジェネラルマネージャー、ルー・フィナッツォ氏（ミシガン州ロチェスターヒルズ）。多くのロボットが車体・トラックボディの溶接に使われた。

「人間が自動車業界のボディ側での進化を制限していた」と氏。「あの巨大な溶接ガンを操作し、車両の向こう側へ盲目的に手を伸ばし、良いか悪いか分からない多数の溶接ポイントを打つのは、人間オペレーターには困難だった。」

「ロボット技術が本格化すると、車両設計を少し変えられた——より複雑な組立が可能になった」と続ける。「また、品質に関するより良い制御ループが得られたことで、実際に溶接量と構造部品を削減でき、車両組立が今の姿へ進化した。それらが初期段階だ。」

今日、ロボットと自動化は労働力を補完し、メーカーとサプライヤーで労働力不足が生じているとフィナッツォ氏。

「今なら、一人の人間が4〜5台の協働ロボットを担当でき、実際に彼らの効率を高められる……従来の自動車メーカーと話すと、必要とされる柔軟性が過去より遥かに大きい」と氏。

協働ロボットが自動車業界で注目されている。「自動車業界の協働ロボットへの関心を駆動する2つの鍵は、速度とコストだ」と、Omron Automation Americasのロボティクス・モーション制御マーケティングマネージャー、ダレル・ポール氏（イリノイ州ホフマンエステーツ）。「協働ロボットはより速く、既存製造環境へ導入可能。既存製造セルとオペレーターと協働できるため、追加の構造的・インフラコストが不要。」

同社は今年のCESラスベガスで新TMシリーズコボットを発表。Omronによれば、ビジョンシステムを備え、迅速な立ち上げと切り替えが可能。ソフトウェアにより異なるタスクへのトレーニングも可能だという。

フォードの先進製造センターには、FANUC、ABB、Universal Robots、KUKA Robotics製のロボットがある。

「我々の工場で行われる多くの作業は、インダストリアルロボットが基本的に対応するリーチとペイロードレベルを必要としない」とフォードのミクラ氏。「協働ロボットはコンパクトな製造フットプリントを提供し、大規模な保護インフラを構築せずに、技術者たちと施設の中で安全に共存配置できる。」

「協働ロボットなら、はるかにシンプルなソリューションが可能だ——仕事をロボットに持っていき、ロボットが安全に確実に作業をこなせる。」とミクラ氏続ける。

「我々の製造施設の改修は非常に高コストだ」と氏。「車両のコンテンツは増え続けている。エンジン、トランスミッション、バッテリーパック、車両の組立に必要な労力は時間とともに増大している。その追加コンテンツをどこで受け入れ、自動化を導入してそれをこなせるか……消費者に最高品質の製品を手頃な価格で届けられるか——そこが協働ロボットが方程式に適合するポイントだ。」

ロボットベンダーの立場からは、パフォーマンスへのプレッシャーが大きい。

「自動車ではスピード・トゥ・マーケットが非常に重要だ」とフィナッツォ氏。「10年前なら新型トラックを18ヶ月で投入できれば大成功だった。今では『わあ、12ヶ月でやらなきゃ』となる。だからスピード・トゥ・マーケットは大きなディールだ。」

自動車ベンダーの適応

一部自動車ベンダーは、コボットの増加とペースアップに適応している。

スイス・バド・ラガッツ拠点のInficonは、自動車システム向け検査デバイスを製造。同社機器がより小型の協働ロボットに搭載されるケースを見ている。Inficonデバイスは水分やガスの漏れ検知に使用。協働ロボットで、Inficonデバイスをロボットに取り付ける機会が増えた。Inficon製品は今、EVシステムの水分検知に使われている。

「これは5〜7年取り組んできたことだ」と、Inficon北米自動車セールスマネージャー、トーマス・パーカー氏。

協働ロボットでInficonデバイスの導入が容易に。「協働ロボットで何が可能か、6軸ロボットで何が可能かについて、顧客への教育をたくさん行っている。私のチームの教育負荷は大きい。」

工作機械メーカーのHydromat Inc.（顧客に自動車メーカー含む）も業界トレンドに適応。

Hydromatでは「自動化がよりインタラクティブになった」と、メリーランドハイツ拠点の同社マーケティングディレクター、ケビン・シュルツ氏。「作業者にとって、システムはオペレーターと彼らが運転する工作機械の間でよりインタラクティブになった。マシン上でのプログラミングがより一般的になった。」

自動車業界の変化は「より頻繁な切り替え」を意味する。「切り替えをより速くしなければならない。」

シュルツ氏は付け加える。「自動化は、自動車顧客に多品種ファミリーを提供し、多様性と製品利益をもたらすための探求において不可欠だ。」

労働者の適応

自動車業界がより高度になるにつれ、労働者スキル向上の取り組みが進んでいる。

アラバマ州の労働力育成プログラムAIDTは、自動車業界雇用がより高度化する中、労働者訓練を強化しようとしている。工場従業員はハンツビル近郊タナーのAIDT施設で研修を受ける。

アラバマには複数の車両組立工場があり、航空宇宙工場もある。その結果、アラバマは製造トレーニング改善を図っている。1月、アラバマ代表団がデトロイトのLightweight Innovations For Tomorrow（LIFT）本部を訪問。製造USAインスティテュートで、企業と学術を結集し製造用軽量化技術を改善している。

「アラバマは製造業で進化している」と、AIDTアシスタントディレクター、クリスティ・ベイン氏。

「我々は先進製造シナリオで働かなければならない」と、同機関労働力開発委員会のアラバマ州商務副長官、エド・キャッスル氏。「我々にとってはシンプルな方程式だ。ニーズは何か、どう定義するか？」

フォードのミクラ氏は、これらのトレンドが自動車製造をかつてより魅力的にしていることを反映していると語る。

「本当にエキサイティングな場所だ」と氏。「本当に楽しい場所だ。」