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鉄筋コンクリート用の型枠を3Dプリンタで製作
日本の大手建設企業A社では、独自開発した3Dプリンタで鉄筋コンクリート用のプラスチック型枠を製造する取り組みを進めています。

従来の工法は金型を用いた射出成形や押出成形が中心であり、コストと生産性を重視した結果、単純形状の型枠ばかりが用いられていました。しかし、3Dプリンタであれば微細な凹凸や曲面といった複雑な形状を実現できます。

A社は、3Dプリンタでデザイン性のある化粧型枠を製造することで、建設物の意匠性を高めることを目指しています。意匠性を高める以外にも、補強効果や製造コストの削減、型枠職人の人手不足の解消といったさまざまなメリットがあると期待されている技術です。

住宅を3Dプリンタで建築
住宅自体を3Dプリンタで建築する事例が世界各国で増加しています。

2021年現在、平屋だけでなく、2階建て住宅や1,000平米以上の豪邸、3階建てのオフィスビルなどを3Dプリンタで建築した事例が数多く公表されています。造形対象も幅広くなっており、3Dプリンタによる建築が実用化されつつあるといえるでしょう。


3Dプリンタを用いる建築の方法は、次の2種類に分けられます。

実際の現場に3Dプリンタを設置して造形する方法
工場で造形した各部材を現場に運び込んで組み立てる方法
どちらの方法であっても、建築に必要な人員とリードタイムを大幅に削減することができます。また、材料コストを抑えたり、デザイン性を高めたりできる効果もあるため、経済面でも機能面でもメリットが大きいことが特徴です。

アメリカでは、平屋住宅を24時間未満で建築して費用も50万円程度に抑えられた事例もあります。災害発生時の仮設住宅や、貧困地域での住宅問題の解消策としても効果的であり、本格的な実用化に期待が高まっています。

公共インフラを3Dプリンタで建築
住宅以外にも、公共インフラを3Dプリンタで建築する技術が開発されています。

例えば、オランダでは全長29メートルの橋を3Dプリンタで建築することに成功しました。これは建築した2019年時点で世界最長であり、歩行者および自転車用の橋として設置されています。

日本でも、橋を3Dプリンタで建築する技術開発が進められており、大手建設企業であるB社が約6メートルで歩行可能な橋の造形に成功したと発表しています。PCケーブルを挿入するといった補強作業が必要ではありますが、構造物として十分な強度であることを確認できており、実用化の目処が立ちつつあるといえるでしょう。

そのほかの珍しい取り組みとしては、トイレを3Dプリンタで建築する事例があります。

これは日本のコンクリート製造企業であるC社の取り組みで、衛生環境の悪いインドに公衆トイレを整備することを目的としたものです。同社は、バイオテクノロジーを得意とするベンチャー企業などと協業し、上下水道が不要な自己完結型のバイオトイレの試作に成功しました。SDGsにおける「安全な水とトイレを世界中に」のテーマに関連した、環境に優しい取り組みだとして注目を集めています。

建設業界での3Dプリンタ活用の課題
建設業界での3Dプリンタ活用が期待されていますが、本格的な実用化に向けてはいくつかの課題が残っています。


一つ目の課題は、法令への適合です。特に、日本のような地震が多い国では厳しい建築基準が法令で定められており、3Dプリンタによる建築方法では対応できないのが現状です。強度の高い建築材料を使用する、鉄筋を内部に入れて補強する、といった対策はありますが、いずれにしても法整備が整うまでは用途がかなり限定されるでしょう。建築物そのものを3Dプリンタで造形するのは現状では困難だということで、プレキャスト部材を3Dプリンタで造形するというのが国内での主流になっています。

二つ目の課題は、3Dプリンタの信頼性です。先進技術のため実績がまだまだ少なく、建築物を長く利用した場合にどうなるのかが不明確となっています。仮設住宅のように、短期間のみ使用する前提であれば問題ないかもしれません。ただし、中長期的な住宅として使用するのであれば、不安が残るというのが正直なところです。

これらの課題は、3Dプリンタの技術が発展して実績が増えることで解決されていくでしょう。コストダウンやリードタイムの短縮など、3Dプリンタを活用するメリットは非常に大きいため、いずれは建設業界の標準になるかもしれません。

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①人の作業をトレースして省人化できる。
双腕ロボットの大きなメリットの1つとして、2本の腕があることにより人の手の動きをトレースした作業を自動化できることが挙げられます。

最近ではカメラ付き双腕ロボットの開発も進んでおり、従来人の視覚で判別しなければ作業できなかった多品種少量生産作業にも対応できるようになってきており、トレースできる作業の範囲が拡大してきています。


ちょっと前まで難しいと思っていた工程の自動化が双腕ロボットで実現できてしまうという点は大きなメリットであるといえます。

②作業環境の変更を最小限に抑えられる。
一般的に使われている単腕型ロボットを適用する場合には、1つの動作にしか対応することができません。そのため、位置決めが必要な作業では、単腕ロボット以外に治具を用意する必要が出てきてしまいます。


そんな時、双腕ロボットを使用することで、一方の片腕で位置決めを行い、もう片方の腕で作業をすることができるため、新たな治具を用意する必要がありません。このように、現在使用している環境を活かしながら自動化を実現できるのも、双腕ロボットのメリットであるといえます。

③品質管理がシンプルになり、品質が向上する。
省人化や環境の変化が抑えられること以外に、人が行っていた検査工程を双腕ロボットにより自動化することで、人の技能習熟度や入れ替えによる品質のバラつきが抑えられます。

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画像検査装置とロボットを組み合わせている
外観検査ロボットは、画像検査装置とロボットを組み合わせた機械です。

製品の外観を確認し異物や傷がないかを確認する画像検査装置と、製品を動かすのではなく自らが動くことで画像検査をしやすくするロボット部分で構成されています。

それぞれ詳しく見ていきましょう。


①画像検査装置
画像検査装置とは画像を認識し、OK・NG 品を判別する装置です。

画像検査装置はカメラや照明、レンズ、画像処理ソフトなどで構成されています。製品を正しく撮影できるようにカメラ、照明、レンズを調整しなければいけません。

どの製品の、どの部分を、どういう風に撮影するかによって撮影できる画像は異なり、その画像を撮影するための部品も異なってきます。
画像処理によって撮影した画像をOK・NG判定をしています。


②ロボット
ロボット部分には、主に多関節ロボットが使われるケースが一般的です。

人間の腕と同じような複雑な動きも行い、多方向からの撮影ができます。
これにより、省スペースで多くの撮像が可能となり、また定点撮像だけでは対処できない複雑な製品にも対応可能です。

ロボットがあることで、画像検査装置の力を最大限に発揮し、外観を検査できます。

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まずはパルス指令の信号についてですが，これは電圧のON/OFF（HI/LOW）が繰り返される電気信号のことです。HI/LOWの１サイクルを１パルスと数えます。
パルス信号は，上位コントローラなどからドライバに入力させますが，このパルス信号の数で，回転角度を制御します。


ステッピングモーターの速度制御

回転速度はパルス数の密度でコントロールします。１パルスで１基準ステップ角が回転する場合，1秒に10パルスを送るのが，1秒に1パルスを送るのよりも，1秒の回転した角度が大きいです。なので，パルスの周波数が高ければ，回転速度が速いのです。

ステッピングモーターの位置制御


最近のドライバは，相に流す電流量を細かく制御して，モーターの基準ステップ角よりも小さい角度で位置決めすることが可能なマイクロステップ方式が採用されるようになり，より細かい位置制御ができます。

フルステップ制御：1パルスで基準ステップ角移動します。
ハーフステップ制御：1パルスで 1/2 基準ステップ角移動します。
1/n マイクロステップ制御：1パルスで 1/n 基準ステップ角移動します。

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3Dプリンター用のデータを作成する方法は、大きく5つあります。

それぞれ、メリット・デメリットや必要なツール・機材、技術が異なるので、造形物のタイプやデータ作成環境などに応じて最適な方法を選択しましょう。


（1）3DCADソフトを使用する
3Dプリンター用データを作成する最もベーシックな方法が、3DCADソフトでのモデリングです。

CADとは、「Computer Aided Design」の略で、パソコンを使った設計を支援するソフトウェアのこと。
3DCADソフトには、面を作成する「サーフェス」と、立体を作成する「ソリッド」という2つの機能がついているのが一般的です。

「サーフェス」と「ソリッド」の違いは、体積があるかどうか。
「サーフェス」で作成するのはあくまで面であり、立方体を作ったとしても、その中は空洞で空き箱のような状態になります。立方体の1面が閉じていないようなデータも作成可能です。

一方、「ソリッド」の場合は、立方体の中が詰まった状態で、必ず閉じたデータになります。

「サーフェス」「ソリッド」のどちらでモデリングしても問題ありませんが、3Dプリンターで造形する場合は必ず体積が必要なため、「サーフェス」でモデリングしても「ソリッド」のデータに変換する必要があります。

3DCADソフトでデータを作成するメリットは、細部まで自由に設計でき、また、正確な寸法のデータを作成できることです。
そのため、機械や自動車の部品など、設計図通りの精確な造形が求められる現場では、3DCADを使いましょう。

3DCADのデメリットを挙げるとすれば、ソフトウェアを使いこなして自由な設計を行うために、ある程度知識やスキルが必要になるという点です。

さまざまな3DCADソフトがあり、フリーソフトや有償ソフトの無料版が公開されているものもあります。いくつか試してみて最も使いやすいものを選ぶのがおすすめです。
無料で使えるソフトの中には商用利用不可のものもあるので、注意してください。

（2）3DCGツールを使用する
3DCGツールで、3Dプリンター用のデータを作成することも可能です。

3DCGツールには、三角形や四角形の面を組み合わせてモデリングをする「ポリゴンベース」タイプと、スプラインカーブと呼ばれる曲線を利用してモデリングをする「スプラインベース」タイプがあります。

3Dプリンター用データの標準的なファイル形式であるSTL形式は、立体をポリゴンで表現するため、3Dプリンター用のデータを作成するなら、「ポリゴンベース」タイプがおすすめです。

3DCGツールは、フィギュアなど、美しい曲面が必要なアイテムを造形する場合に向いています。一方、見た目は問題なくても、構造や寸法の整合性が取れていないおかしなデータが作成されることもあるため、工業用部品などの精確さが求められる造形には不向きです。

（3）2DCADデータから3DCADデータに変換する
製造業の現場では、普段から2Dの設計図を使用していると思います。

その設計図の2DCADデータがあれば、2DCADデータを3DCADデータに変換するソフトウェアを利用して、簡単に2Dの設計図を3Dモデルに変換することが可能です。

元の2DCADデータによっては、変換するだけでは上手く形状が再現できず、3DCADデータの修正が必要になることもありますが、1から3DCADソフトでモデリングをするよりも簡単に3Dプリンター用のデータを作成することができます。


（4）3Dスキャナーで実物をスキャンする
試作品や過去に製造していた部品など、手元に実物がある場合は、3Dスキャナーを使ってスキャンし、そのスキャンデータから3Dプリンター用のデータを作成することも可能です。

スキャンデータだけでは、正確な寸法のデータにならないため、こちらも多少の手直しが必要になります。

この方法で3Dプリンター用のデータを作成するには、3Dスキャナーか、スキャン機能付きの3Dプリンターが必要になりますが、限られた回数しかスキャンしないということであれば、機材を購入せずに、3Dスキャンの代行サービスを利用するのも◎

（5）3Dプリンター用データの配布サイトからダウンロードする
自分で3Dプリンター用のデータを作成するのが難しいという方は、データを無料配布しているサイトからダウンロードするのも1つの手です。

ただし、商用利用不可のものも多く、また、著作権の侵害などにあたらないよう、データ作成者が定めたルールと法律をしっかり守って利用しましょう。

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