SLS 3Dプリントで食品配達ロボットの量産をわずか6ヶ月で実現

Rice Roboticsも香港を拠点とする企業で、食品配送、消毒、検査などの分野で使用するロボットを設計・製造しています。これまで革新的なデザインを小規模で展開してきた同社ですが、自律走行型の屋内配送ロボット「RICE」の量産を検討し始めた時、課題に直面しました。

以前提携していた大手委託メーカーとは、品質管理やコミュニケーションの問題、設計と最終的な成形品に差異があるなどさまざまな問題が発生し、これをきっかけにRice Roboticsは香港を拠点とするパートナーを探し始めました。ただ1つ、問題があります。この段階で残された時間はわずかしかなく、新しく提携するメーカーには設計から量産まで6ヶ月しか与えることができません。

製品の設計から製造までわずか半年という要件から、従来の製品開発工程では対応できないと判断したSavewoは、設計・検証の反復サイクルから機能試験、最終的にロボットに搭載する実製品用部品の製造に至るまで、開発・製造のあらゆる工程で複数台のFuseシリーズSLS 3Dプリンタを活用することにしました。

多くのロボット企業、特に成形メーカーが数多く存在し非常に安価な製作が可能な香港や中国本土を拠点とする企業では、反復的な開発であっても、金型や射出成形による試作品製作を選ぶ方が妥当です。しかし、Savewoは今回のような短期間での開発には3Dプリントしかないと考えていました。4台のFuse 1+ 30Wプリンタがあれば、24時間365日いつでもプリントできます。

Savewoが今回の挑戦にSLS 3Dプリントを選んでからというもの、まったく新しい可能性が広がりました。FuseシリーズSLS 3Dプリンタでは、造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、突出部やアンダーカットのある部品、内部に溝のある構造など、従来の製造方法では高額かつ実現が困難な特徴を備えた部品も製作できます。

こうした複雑形状の部品を3Dプリントすることで、設計の変更も一晩で反映できたほか、革新的で有機的なデザインを採用してロボットの部品が担う範囲や機能性の拡大にも成功しました。「従来の製造方法では低コストの製作が難しい設計も、SLS 3Dプリントのおかげで簡単かつ正確に製作できました」と言うのは、SavewoのR&Dシニアメカニカルエンジニア、Zhong氏です。

Rice Roboticsが以前の受託メーカーと取引をしていた時に大きな問題となったことの1つは、設計、試作品、ベータ品、実製品用の成形品で設計にズレが生じることでした。メーカーから明確な情報が得られなかったこと、そして各工程で異なる製造法が使用されていたことで、各工程で作る部品の寸法精度にばらつきが出ていました。さらに、射出成形時に発生する熱や処理時間、膨張などを考慮し、設計工程全体を通して微小な変更が行われるため、意図した設計と最終的に出来上がる部品に差異が生じてしまっていたのです。

小規模で明確かつオープンなコミュニケーション構造を持つSavewoとの提携では、Rice Roboticsのエンジニアたちが希望をしっかりと伝え、3Dプリンタでの製作にも必要なだけ関与することができました。Rice RoboticsがFuseプリンタでの製作を直接確認できたことで、アディティブマニュファクチャリング用に部品の設計を変える時もスムーズな設計変更が可能でした。さらに、金型の設計を考慮する必要がないため、3Dプリントによる試作品製作から実製品用部品の製作に至るまで、どの工程でも一貫性のある設計を保つことができました。

多くの部品が、Fuseシリーズのプリンタで実製品用部品として製作されます。Nylon 12パウダーで作る部品は強度と耐久性に優れ、ロボットのように過酷な環境での使用が想定される用途に最適です。ナイロンはエンジニアにとっても馴染みのある材料で、材料特性もよく知られています。Rice Roboticsにとっては、Savewoが量産能力のある企業であるという信頼が増しただけでなく、最終的なナイロン部品が射出成形品と同じように動作する、という確信を持つに至りました。

ロボティクス分野では、複数部品をジョイントやヒンジで結合した機能アセンブリが多く必要とされています。3Dプリントはこれまで、繰り返しの引張や圧力、トルク、摩擦に耐えられる部品の製作には必ずしも最適な方法ではありませんでしたが、SLSプリント製の部品ならこの用途でも十分に活用できます。Fuse 1+ 30WにてNylon 12パウダーで部品を製作する場合、予めねじ山をつけた状態でのプリントや、ヒートヘリサートのねじ山でタップ加工することも可能です。

Savewoは、大量の複数部品を組み合わせたアセンブリを製作したことで、製造方法と材料の万能性を証明しました。「Nylon 12パウダーは、十分な硬度と靭性、優れた機械的特性を備えています。私たちが作る3Dプリント製部品のほとんどには、ねじ山があります。Nylon 12パウダーを使って部品を直接プリントすれば、ねじを何度も締めたり緩めたりする必要がありません」とSavewoのR&Dディレクター、Chen氏は言います。

屋内食品配送ロボットRICE 2に搭載されている部品のうち、骨格とシェルを接続するコネクタをFuse 1+ 30Wで3Dプリントしました。このコネクタは、ロボットが「歩行」する際に発生する絶え間ない振動に耐え、骨格とシェルを安定させる役割を果たします。Nylon 12パウダーが持つ柔軟性は、この種の安定化を担う部品に最適です。RICE 2に搭載されているSLS 3Dプリント製部品は他にも、アトマイザーモジュール（PCB全体、リーフファン、ジョイントバックル）、空気排出口、中央処理装置（CPU）と衝撃吸収装置の固定具があります。

Savewoの自社工場には4台のFuse 1+ 30W SLS 3Dプリンタと後処理装置のFuse Siftが1台設置されており、RICE 2ロボットを毎週50台製造できるだけの実製品用部品を製作しています。さらに、Fuse 1+ 30Wで部品を3Dプリントすることで、成形用の高価な金型を作り直す必要がなく、開発を継続しながら常に最良の設計を模索できます。

従来の工場の様式に則って射出成形で量産をしていた場合、スケジューリング、試験、微調整、その他の工程が発生し、各部品の製造と設計変更が発生するたびに製作期間としてそれぞれ45～60日はかかっていたでしょう。このプロジェクトでは、長期に渡る製作期間と高額なコストは受け入れ難いリスクになります。

Savewoのエンジニアはまず、製品の確実な要素と不確実な要素を分類しました。RICE 2の中でも確実性の高い大型部品については成形型を設計して従来の射出成形で作ることにし、一方で開発の過程で複数回の変更が発生すると見込まれる、不確実性の高い部品には3Dプリントを使用することにしました。

不動産が決して安くはない香港ですが、新たなビルやビジネスが立ち上がることはあっても、なくなることはありません。Fuseシリーズ3Dプリンタのサイズやスケールがあれば、Savewoが今後生産規模を拡大する場合でも、設備を大幅に変更したり、より広い場所を確保するための投資が必要ありません。同社は1台目のプリンタを購入してすぐに、追加で3台導入して生産量を増やしました。現在では4台のFuse 1+ 30Wプリンタと1台のFuse Siftを稼働させている同社は、研究開発チームと製造チームが設計工程の各段階を迅速かつ効率的に進められるようになりました。

RICE 2ロボットの設計見直しから実製品用部品の量産までをわずかな時間で実現したことで、Savewo自身がハイブリッド製造の実用性を確信しただけでなく、香港を拠点とする革新的な企業に対して同社の価値を決定づけることができました。「Savewoが香港のイノベーションとテクノロジーの発祥地となり、香港のインダストリー4.0を促進する存在になりたいと思っています。ゆくゆくは、Savewoをきっかけに香港のビジネスが再び海外で名を馳せるようになることを願っています」と、SavewoのCEO、Ding氏は言います。

Fuse 1+ 30Wプリンタがあれば、小さな企業でも大きな変化を生み出すことができます。手頃な価格のSLS 3Dプリンタは、誰にでも使いやすい作業手順と馴染みのある確立された材料ライブラリ、そして射出成形品に匹敵する公差と精度を実現します。Savewoは、Fuseシリーズのスケーラビリティを十分に活用し、激戦市場での成功を手にしています。

Fuseシリーズに関する詳細、またはお客様の用途に応じた製品開発・製造工程でのSLS 3Dプリントの活用方法については、Formlabsのスペシャリストまでお気軽にお問い合わせください。