星に願いをかける前に寝る

1.コスト削減と開発期間の短縮
外注に依頼していた試作品も、3Dプリンターを導入すると、社内で開発が完結します。外部とのやり取りが排除され、開発期間を大幅に短縮することが可能です。さらに、試作工数とコストを削減できることもメリットです。


2.アイデアの創出
ひらめいたデザインを造形することで、アイデア創出の場が増えます。現場で創出したイメージがすぐに完成します。

3.設計品質の向上
手軽に造形できるため、細かい形状や動きの確認が容易になります。複数のパーツを組み立てて作っていたものも、3Dプリンターを使うことによって接合部のない1つのものとして完成させることが可能です。そのため耐久性も強化され、全体の品質の向上につながります。


4.セキュリティーの確保
試作品の製造を内製化することによって、外部にデータを持ちだす必要がなくなります。そのため、セキュリティー面の向上にも役立ちます。

5.商品開発の幅が広がる
今まで実現できなかった形状が3Dプリンターでは作成可能です。試作品が気軽に造形できるため、商品開発の幅が広がるのもポイントです。

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3Dプリンターにはさまざまな造形方式がありますが、ものづくりの流れ自体はほとんど同じです。そのため、基本的な流れやポイントを知っていれば、どの3Dプリンターを使う場合にも役立ちます。

本記事では、3Dプリンターにおける基本的なものづくりの流れを前工程・造形工程・後工程の3ステップに分けて、押さえておきたいポイントとともに解説します。

前工程
前工程では、3Dプリンターで造形したいものの3Dデータを準備していきます。

3Dデータは、3DCADソフトや3DCGソフトを使って作成するのが一般的です。自分で一から作成しなくても、2DのCADデータを3DCADデータに変換したり、3Dスキャナで現物をスキャンして3Dデータ化したりする方法もありますが、3Dプリンターの性能や自分の用途に合わせて最適化するためには、3Dデータ自体を作成・編集できる方が望ましいでしょう。

また、インターネット上にある無料の配布サイトからダウンロードして使用するという方法もあります。この場合は、商用利用が禁止されているケースもあるため、注意が必要です。


3Dプリンターによるものづくりにおいて、大元となる3Dデータの質は極めて重要です。3Dプリンターは形状の自由度が高い点がメリットではありますが、そうは言っても、造形しにくい形状や精度が出にくい形状は存在します。3Dデータの設計時には、次のようなポイントを押さえておくと良いでしょう。

事前に使用する材料を選定しておき、材料の特性に合わせて設計を行う
強度面を考慮して、最低でも1mm以上の肉厚を確保しておく
サポート材の使用量がなるべく少なくなるように工夫する
寸法精度が求められる箇所は、材料の収縮率を考慮して補正をかけておく
3Dプリンターでのものづくりには、ある程度の慣れも必要になります。試行錯誤してノウハウを蓄積していけば、造形物の品質は向上していくでしょう。

造形工程
造形工程では、前工程で作成した3Dデータを3Dプリンターに読み込んで出力設定をした後に、実際に造形を行っていきます。

多くの場合、3Dプリンターごとに専用のソフトウエアが用意されているので、それを利用して出力設定をすることになります。設定できる項目は機種によって異なりますが、おおむね次のような内容です。

設置方向
設置数
積層ピッチ
材料の密度
造形速度
サポート材の有無
これらの設定次第で、造形にかかる時間や品質は大きく変わります。例えば、積層ピッチを小さくすれば造形物の表面が滑らかになり、寸法精度がよくなる傾向にありますが、造形の時間は長くなります。反対に、積層ピッチを大きくすれば早く造形が終わりますが、寸法精度は悪くなる傾向にあります。それぞれの設定内容が何に影響するのかを正しく理解した上で、造形物に求める機能や用途に合わせた設定を心がけましょう。


出力設定が終わって造形が始まった後は、基本的に全自動で造形が行われます。造形が終わるまではやることがなくなるため、別の作業ができるのも3Dプリンターのメリットです。最近では、3Dプリンター自体が造形条件を自動で制御してくれる機種も登場しているため、造形中のトラブルなどは軽減される傾向にあります。

3Dプリンターの性能や出力設定、造形物のサイズにもよりますが、造形が終わるまでには長い時間がかかります。しかし、造形自体は全自動で行われるため、帰宅前にスイッチを押して夜間に造形しておき、翌日出勤したときには完成している状態にすることも可能です。このように、夜間や休日をうまく活用していけば、3Dプリンターによる試作や生産の効率化を図ることができます。

後工程
3Dプリンターでは、基本的には後工程として仕上げ作業が必要になります。具体的には、余分な材料やサポート材を取り除く、表面を研磨して滑らかにする、といった内容です。

後工程の作業内容は造形方式や材料によって異なるため、それぞれに必要な作業内容を覚えておきましょう。樹脂3Dプリンターの場合、サポート材の除去方法は、手作業で物理的に取り除くケースと、専用の薬液や熱処理炉などの設備に入れて溶かすケースの2種類に大きく分けられます。特に前者の場合、造形物が極端に小さかったり、厚みが薄かったりすると、作業中に破損する恐れがあるため注意が必要です。上述した前工程での設計時には、後工程の作業性も考慮しておくべきといえるでしょう。

場合によっては、塗装や熱処理などでさらに後工程が続くこともあります。

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塗装に使われる産業ロボットは機構の仕組みによって次のように分類されます。

この中で、塗装ロボットによく使われる

垂直多関節ロボット
水平多関節ロボット
直角座標ロボット
について順番に解説します。


①垂直多関節ロボット

垂直多関節ロボットは、文字通り、垂直方向に回転する多数の関節（ジョイント）を持つロボットです。

人間の腕と似た動きが可能なため、人の手で行う工程を代用する場合に適しています。塗装作業に柔軟に対応でき、複雑な作業にも適しているのが普及の理由の1つです。

②水平多関節（スカラ）ロボット


ジョイントとリンクが水平で直列につながっている構造のため、アーム動作は水平方向へ移動するのみとなっています。塗装に対してはアーム動作の移動が水平方向へ限定することから平面の塗装を得意とします。

③直角座標ロボット
3軸の直交するスライド軸によって構成されたシンプルな構造で、アーム動作は3方向に動かせます。シンプルな構造のため動作の精度は高い反面、複雑な動作はできないため、塗装に対しても単純な形状に限定されます。

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シーケンスロボットとは、あらかじめ機械的に設定した動作にしたがって動く産業用ロボットのことです。シーケンス（Sequence）は「順序、連続して起こる順序」を意味し、シーケンスによる制御をシーケンス制御といいます。日本工業企画（JIS）での定義は、「あらかじめ定められた順序に従って制御の各段階を逐次進めていく制御」です。


ベースとなるロボットに後から動作を付けるのではなく、ロボットの設計段階で「このロボットをどう動かすのか」「何のために動くのか」といった部分までプログラムします。

シーケンス制御が使われている例を挙げると次のとおりです。


電子レンジで10という数値を設定する⇒10分温め
コンベアのスタートボタンを押す⇒特定の地点まで製品が移動⇒10秒停止⇒再び製品が移動
またロボットへのプログラム以外にも「照明のスイッチを押す⇒電気がつくor消える」のように、電気回路を用いた簡単なシーケンス制御も存在します。

ロボットも含めたシーケンス制御を用いた装置は、今や日本中の工場で稼働中です。

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産業用ロボットを導入する場合、しっかりとした準備が必要です。導入には費用もかかります。それでも多くの工場が導入しているのは以下のようなメリットがあるからです。

（１）ベテランの技術を自動再現する
どんな工場にもベテランしかできない作業があるものです。これをロボットが行うことで、ベテラン作業員の負担を減らし、作業を効率化できます。


例えば肉を叩き、成形し、キレイに整えるという作業をベテラン作業員が数名でやるよりも、3つのロボットで分担することで効率よく食品の下処理ができます。これまでベテラン作業員の出勤日に左右されていた作業ペースを、企業の都合によって調節できるのです。

（２）女性作業員の負担を減らす
女性の軽作業員でも、6∼10㎏ほどある重い部品を高いところへ持ちあげる作業をしていることは珍しくありません。これを産業用ロボットが行えば事故も減らせますし、身体への負担も減らせます。

重労働な作業は男性が行い、身体に負担のかからない作業は女性が行うという役割分担をしている企業は多いですが、人手不足などで実現しない企業も多くあります。ロボットを導入すれば人手に左右されず、作業員に負担のかからない作業現場になります。

（３）在庫管理を自動化する
商品や製品を扱う上で、大切なのは在庫管理です。ロボットを導入し、バーコードを読み取って在庫データをすぐに確認できるようにした企業もあります。自動化することで在庫の管理が行き届いていない状態になるのを防ぐことができますし、人件費も作業負担も減らせます。

これは工場だけではなく、スーパーなどでも活かせます。スーパーは在庫管理と品出しが連携しており、人手がかかるので、それぞれの作業をロボットに任せることで人件費を節約できます。


（４）負担がかかる作業を産業用ロボットに任せる
どんな場面でどんなロボットを使う場合でも、共通しているのは作業をする人達の負担を減らし、安全に働けるようにすることです。

重いものを持ちあげる運送、ケガをする恐れがある溶接、正確さが求められる備品の扱いなどをロボットに任せることで、他の工程に時間と人手を割り当てられるようにします。

とくにミスが許されない検査には、ロボットを使うことで作業員だけではなく、消費者の安全も確保できます。

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