ハイブリッド自律型製造とは、複数のツールと技術を用いて高品質な部品をオンデマンドで製造する自動化システムを指します。
専門家たちは、幅広い部品の製造に必要なすべての工程を実行できる、自動化されたツール群の開発に取り組んでいます。
この手法は、人手を介さずに複数のプロセスを用いるもので、骨折患者の治療に用いる材料の製造に活用できる可能性があります。
冶金工学の教授は、企業はすでに自律型製造に必要な技術の導入を始めていると述べています。
工場の機械が故障すると、その機械は停止してしまいます。生産が止まると、1日あたり数百万ドルの損失が生じることもあります。部品の故障は、工場、発電所、そして戦場の装備に深刻な打撃を与えかねません。
稼働を再開するために、熟練技術者は道具箱にあるすべてのツール（機械加工、曲げ加工、溶接、表面処理）を使い、できるだけ迅速かつ正確に、まさに適切な部品を作り出します。しかし、そこには適切なスキルを持つ技術者の数が減少しているという問題があり、手作業で作られるものの品質は、部品を製作する日の職人の技量や気分に左右されてしまいます。
どちらの問題も、人工知能を備えたロボット技術者によって近く解決される可能性があります。これらのシステムは、計測を行い、さまざまなツールを用いて部品の成形、切断、溶接を行い、部品を専用の設備に受け渡し、さらには必要な材料を購入することまで、すべて人手を介さずに行うことができます。ハイブリッド自律型製造と呼ばれるこのプロセスは、必要な場所と時期に高品質な部品を製造するため、複数のツールと技術をシームレスに組み合わせて用いる自動化システムを指します。
私は冶金工学の教授です。私の同僚と私は、強度や破壊抵抗などの特性を生み出すために、適切な内部構造を持つ材料や部品を作るための製造手順を設計しています。オハイオ州立大学やその他の大学の同僚たちとのネットワークを通じて、私はこの自律型の職人を生み出すための計画を進めてきました。
製品はどのように作られるのか
部品は、大量生産されるか、受注生産されるかのいずれかです。
人々が日常的に手にするものの多くは大量生産されています。品質は、大量の部品をテストし監視し、そのプロセスが毎回同じように実施されることを保証する、洗練された工程に基づいて確保されています。
受注製造、すなわちオンデマンドで部品を製造することは、患者個人の解剖学的特徴に適合させる場合や、もはや生産されていない、鍛造された航空機の着陸装置を交換する場合など、しばしば不可欠です。金属部品の製造プロセス（材料除去、堆積、変形、変態、検査）は、いずれも小型のツールを用い、大量生産で一般的に用いられる大型のツールや金型による大規模なプロセスではなく、段階的な作業によって行うことができます。
自動化は大量生産において長く重要な役割を果たしてきており、自動車の組立ラインで部品を扱い溶接を行う高度なロボットもその一例です。3Dプリンティングとしてよく知られる積層造形は、さまざまな材料を用いて部品を製造するために、ますます利用されるようになっています。
現在開発が進められているのは、ロボット鍛冶師です。切削、積層、成形に代えて、金属部品を槌で打ち鍛えて形を作ることができるロボットです。
自動化されたカスタマイズ――矛盾ではない
受注製造を自動化するため、私の同僚と私は、人手を介さずに複数のプロセスを用いて、幅広い部品を製造するすべての工程を実行できる自動化ツール群を開発しています。センサーも、プロセスを制御し、品質を維持・保証するために、ハイブリッド自律型製造の中心的な役割を担うことになります。
このような自律型製造システムは、適切な強度、サイズ、表面仕上げを備えた部品を作るために必要な無数の判断を行うことになります。材料、機械設定、工程手順という膨大な数の選択肢を扱うには、人工知能が必要となります。単一の大量生産用の製法を見つけてそこから決して逸脱しないのではなく、これらの自律型製造システムは、部品を作るための非常に多くの候補となる製法の中から選択を行い、選ばれた経路が適切な材料特性を持つ部品を生み出すことを保証する知能を備えることになります。
ロボットは、小型のツールを製造された部品の上に配置するか、部品を一つの設備から別の設備へと移送することができます。完全自律型のシステムは、汎用性の高いツールの組み合わせによって、幅広い製品を製造できる可能性があります。システムは、人間の職人と同様に、材料を調達し、場合によっては専門的な切断や変形のツールに作業を外注することさえ可能になるかもしれません。
このようなシステムの生産速度は大量生産には及ばないものの、ロボットは連続稼働が可能であるため、人間の技術者よりも生産性が高くなる可能性があります。センサーから得られるデータは、重要な温度、機械設定、さらには画像を含むすべての工程とプロセスのデジタル記録を提供します。この記録により、品質を保証することができます。たとえば、材料が適切な量だけ変形されたこと、また工程中に亀裂が発生して隠蔽されなかったことを確認することができます。
世界経済フォーラムは第4次産業革命に対して何に取り組んでいるのか？
先端技術・イノベーションセンターは、科学者、政策立案者、ビジネスリーダーを結集し、新興技術とその現実世界への影響を見極めることを支援しています。
センターは、協力や実験を可能にすることで、パートナーが研究から得られたイノベーションを、世界が共有する課題に対処する実践的な応用へと転換することを支援しています。
手術室またはその近くでの製造は、ハイブリッド自律型製造によって実現可能となるプロセスの一例です。骨折患者が外傷手術を受ける際には、骨を固定して治癒を促すために、さまざまな形状の金属プレートが必要となることがよくあります。これらは多くの場合手術室で作成され、執刀医が患者に合わせてプレートを曲げます。その際、患者の医療画像から作成された3Dプリント模型を、金属を曲げる際の型として用いることもあります。
手作業による曲げ加工は時間がかかり精度も低く、プレートを誤った箇所に負荷をかけると破損につながることがあります。ロボット技術者は、手術前にプレートの切断、曲げ加工、仕上げを行うことができます。患者は入院期間が短ければ、回復が良好になり、費用も抑えられます。
ロボット職人への道
多くの企業が、ベンチャーキャピタルの支援を受けた3社の新興企業を含め、自律型製造における今後の方向性を示しつつあります。FormLogicは、自動化された高品質の機械加工工場を開発しています。Path Roboticsは、溶接工の技能をロボットに組み込もうとしています。さらに、Machina Labsはロボット鍛冶師の開発に取り組んでいます。その他の企業は、設計や物流の自動化を目指すシステムを開発しています。
ハイブリッド化――複数のツールを用いて異なる作業を異なる方法で行う能力――が次の段階です。ハイブリッド自律型製造の主要な構成要素は既に存在しており、完全自律型システムは10年以内に一般的になる可能性があります。受注製造においてこの手法を採用する企業は、これらの技術を組み合わせるスキルを持つ新世代の人材を確保する必要があるでしょう。
提案された投資は、米国イノベーション・競争法（上院で可決）、2021年6月8日、およびバイデン政権が提案した米国雇用計画に盛り込まれた投資は、こうした先端製造技術の開発を支援しうるものです。先端製造技術およびそれに関連する人材基盤の開発資金は、米国の製造業をより競争力のあるものにすることに寄与しうるものです。
