インダストリー4.0：自動化を活用して製造業を変革する

1784年、水と蒸気で動く機械により第1次産業革命が始まりました。第2次革命は1870年、鋼材の大量生産と電気の到来で訪れ、この時期には飛行機も発明されました。1960年、第3次産業革命で高度なエレクトロニクス、コンピュータ、自動化が導入され、産業プロセスのデジタル革命が主眼でした。今日、私たちは現実世界と仮想世界の同期に焦点を当てたサイバー・フィジカル・システムに生きています。これは第4次革命、すなわちインダストリー4.0と呼ばれ、2015年に世界経済フォーラム会長クラウス・シュワブ氏によって公式に提唱された用語です。

インダストリー4.0は、機械とプロセスをインテリジェントなプラットフォームでネットワーク化し、スマートファクトリーを創造する新たな産業革命です。インダストリー4.0製造革命の要素には、データ分析、IoT（モノのインターネット）、先進ロボティクス、拡張現実、付加製造、バーチャルファクトリーソフトウェア、デジタルトレーサビリティなどがあります。

本稿では、インダストリー4.0製造を深く掘り下げ、優れているプロセスと技術、改善が必要な点を見ていきます。

インダストリー4.0製造の主要技術要素

以下では、今日のインダストリー4.0製造プロセスを構成する主要技術要素を詳述し、それらの利点と限界を見ていきます。

付加製造

付加製造（AM）、別名3Dプリントは、3D CADモデルを用いて、従来の除去型製造プロセス（材料ブロックから層を除去して設計を構築）とは異なり、材料を層ごとに付加することで部品を製造します。今日、AM技術は自動車、製造、航空、医療など多くの産業の洗練された設計ニーズを満たしています。

過去20年間で、AM技術は様々な段階を経て進化してきました。ステレオリソグラフィーは1986年にAM下で開発された最初の特許取得済みラピッドプロトタイピング技術です。その後、以下の継承を経てきました：

• 3DP（三次元印刷） — 1993年
• 溶融堆積モデリング — 1992年
• 選択的レーザー焼結 — 1989年
• 積層造形 — 1988年
• レーザー工学ネットシェイピング — 2000年

利点

従来の除去型プロセスとは異なり、AM技術は短時間で機能的な試作を設計できます。必要な原材料のみを使用し、残り材料を再利用できるため材料廃棄が大幅に削減されます。一つのプロセスで少ないセットアップで部品が製造されるため、複数の製造・組立ステップの時間とコストを節約できます。

限界

付加製造はまだベータ段階です。低速などの機能的制限があり、量産には不向きです。付加製造で作られた試作は往々にして後処理の仕上げが必要です。また、液体粉末と金属ポリマーを使用するため、材料に大型部品製造に十分な強度がありません。

バーチャルファクトリー

今日のスマートファクトリーはサイバー・フィジカル・システムを採用し、情報技術の力を大いに活用しています。スマートファクトリーでは、システムが機械とその他の製造リソースを、ほぼ人的介入なしでコミュニケート、協働、チームとして機能させます。しかし、これらの製造システムの導入は高価で、テストもリスクを伴います。この点で、バーチャルファクトリーフレームワークが必要な意思決定支援を提供します。

利点

バーチャルファクトリー（VF）フレームワークは、変動する需要と動的な工場条件下でスマートファクトリーの性能を評価する高度な3Dシミュレーションソフトウェア環境です。単一設備から工場全体まで使用可能です。VF技術は、履歴データがない新しい製造システムのプロセス変動性を予測するのに非常に有用です。

限界

シミュレーションプログラムが信頼できる結果を返すには、施設の具体的な条件の正確な概要が与えられる必要があります。これらは労働集約的なカスタマイズで、専門家が必要です。シミュレーションは継続的なリアルタイムデータ入力に基づいて実行されるため、製造システム、機械、ロボット内のパラメータ変更が結果の精度に影響を与える可能性があります。

産業用ロボット

人工知能とビッグデータ分析などの技術の助けを借りて、インダストリー4.0製造プロセスは産業用ロボットに依存し、生産速度を上げプロセスコストを下げます。

利点

伝統的な先祖とは異なり、インダストリー4.0製造革命のロボットは、自己認識、自己メンテナンス、自己予測能力を持つよう設計されています。高度なセンサーシステムで、これらの新世代ロボットは他のロボットと人間作業者と相互作用し、製造品質を高めます。自動部品検出、正確な材料ピックアップ、アイテムの安全な取り扱いなど、様々な手作業タスクで知覚を強化する先進センサー技術を使用します。

限界

高感度で省エネなロボットの導入は困難です。さらに、産業4.0段階のロボットは、組立ラインと配送センターでの複雑なタスクで経験豊富な作業者を置き換えるにはまだ十分に成熟していません。

インダストリー4.0と金属加工施設

金属加工業界は、運用コスト削減、材料廃棄低減、迅速な納品、修正可能性の低減という点でインダストリー4.0革命から大きな恩恵を受けられます。製造業者は製造プロセスの各段階でメリットを得られます。

スマートCNC工作機械は履歴データを用いて予測モデルを構築し、潜在的な故障ポイントを防げます。IoTセンサーとスマートメーターの複合効果で、大型機械がアイドル時間中のエネルギーフローを効果的に管理できます。機械からのリアルタイムプロセスフィードバックは、オペレーターがアルファ段階で潜在的エラーを排除する理想的な選択肢となります。

自動化は生産速度を上げ人為的エラーを減らせますが、特定の要素は依然として手の届かないところにあります。その一つがプロジェクトに適した材料の調達です。自動化されたスマートCNC工作機械も、ワークピースの品質が悪ければ役に立ちません。

インダストリー4.0製造用材料を信頼できる金属サプライヤーから調達

インダストリアル・メタル・サービスは、金属購入、リサイクル、ノコギリ切断のワンストップショップです。20年以上、サンフランシスコ湾岸エリアと全米に信頼できる金属サービスを提供してきました。幅広い金属在庫にはアルミニウム、鋼材、銅、チタン、インコネル、モネルなどの特殊金属が含まれます。