日本大塚化學與3D列印新創企業Gutenberg共同投入開發「超輕量機器人」之產學研合作計畫，主要負責利用熔融沈積成型(Fused Filament Fabrication; FFF)方式的3D列印技術，開發高強度樹脂製零組件。兩家公司將透過複合材料與3D列印技術的深度整合，期實現人類與機器人能在同一空間安全共存之「真正的協作型機器人」目標。
重量僅4分之1
由東京科學大學、東京都立大學、廣島大學、千葉工業大學及Gutenberg共同推動、大塚化學參與執行的「利用熔融沈積成型樹脂製作超輕量機器人之研究開發」，已獲得新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)先導研究計畫採納。本次開發計畫將目前工廠等導入之協作型機器人手臂中占總重量7成以上的結構件與減速機材質從鋁合金或金屬改為樹脂。預定達成的目標規格為機器人手臂重量不超過5公斤、負載能力(Payload)為2公斤以上。藉此預期能將重量降低至現行產品的3分之1到4分之1。
此次研究中，企業端將負責FFF方式3D列印高強度樹脂零組件的成型技術開發；大學端則負責樹脂零組件的機械特性評估、機器人工程機械要素技術，以及利用這些零組件的減速機與協作型機器人手臂開發。
FFF方式3D列印利用熱塑性樹脂的線材(Filament)加熱融化後由噴嘴擠出，逐層堆疊成形。由於不需射出成型的模具，因此具有低成本、適合多樣少量生產，且材料浪費較少的優點。然而，以往被認為不適合用於高強度、高品質要求的零組件製造。
高精度成型
Gutenberg的3D列印機「G-ZERO」系列，具備即使成型平台升溫也能維持高平面度的結構，並能透過軟體補正高度差，確保高精度成型。列印工具頭(Tool Head)最大移動速度可達每秒700 mm，並支援一般樹脂、聚醯胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等工程塑膠。甚至能利用PEEK基底線材進行厚度0.02 mm的超薄膜成型。
可讓「G-ZERO」列印機性能得以充分發揮的關鍵在於大塚化學的3D列印線材「POTICON Filament」。此材料為超微細鈦酸鉀纖維「TISMO」與熱塑性樹脂的複合物，且在直徑、真圓度與比重（密度）等3個項目設定了嚴格的管理標準。使用「POTICON Filament」線材可獲得高強度、高品質的成型品。以PA基底線材與G-ZERO成型的零組件在XY平面方向上的強度方面甚至高於相同形狀的射出成型品。
可望取代射出成型
在超輕量機器人零組件成型中將以PPS基底線材為主要材料。研究中也將同步進行線材配方與成型條件的最佳化，以及依照受力部位與方向進行最佳化的機構設計與列印路徑規劃，推動「材料–設備–設計」三位一體的開發。大塚化學表示「運用3D列印實現如同射出成型機般的成型條件為最終目標」。
一旦超輕量機器人手臂達到實際應用，工廠、生產現場的人機協作作業，或是餐飲業由移動機器人負責桌面配膳與收餐，諸如此類的場景將更為普及，並可望有機會擴大應用於如無人機、鐵道車輛零組件等相對少量生產的領域。