つれづれデジカメ日記

3D プリンタには 10 種類のベーシックモデルがあります。

光造形法 (SLA)

デジタルライトプロセッシング (DLP)

熱溶解積層方式 (FFF/FDM)

粉末焼結積層造形 (SLS)

レーザー溶融法 (SLM)

電子ビーム溶解法 (EBM)

薄膜積層法 (LOM)

バインダージェッティング方式 (BJ)

マテリアルジェッティング方式 (MJ)

SLA、FFF、および SLS が最も広く使われている方式です。

SLAは、最初に開発された 3D プリント技術になります。感光性の液体樹脂をレーザービームにさらすことで機能します。オブジェクトは層ごとに構築され、樹脂が固まります。

FFFは、趣味セクター向けの 3D プリンタで一般的に使用されています。オブジェクトは、熱されたフィラメントの層が積み重なって下の部分から作られていきます。小さな事業、エンジニアリング企業、デザインスタジオにとっては非常に費用対効果の高いソリューションでもあります。

SLSは、プラスチックやセラミックなどの素材の粒を固めて結合し、3D オブジェクトを形成していきます。粉末化された原材料にレーザーでパターンが刻まれます。それからこれの層が下げられ、次の層が前回の層の上に積み上げられます。

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３Dプリンターの仕組みの中にサポート材というものが付着せざるを得ないという問題があります。

樹脂に限った話ではなく金属も全く同じです。むしろ金属の方が必要としているくらいです。

2013年から金属３Dプリンター受託造形事業を始め、散々苦労してきたこのサポート材・・・・・

私たちの苦労の積み重ねにより、取りやすいサポート材の付け方の開発に成功致しました。

弊社ではマテリアライズの「Magics」というソフトを使いサポート材を生成していますが、ただ単に付けてしまうとサポート材の除去にとてつもない労力をかける場合が多く存在します。

取りやすい付け方で、かつ少ないサポート材での造形はこの工法にとって大事な事です。

しかも熱歪みも最小に抑えなければならないし、造形精度も保ちたい。。。

この取りやすいサポート材の開発とサポート材除去方法の開発には膨大な時間を費やしましたが、これは金属３Dプリンター受託造形事業を継続するには解決しなければならない問題点だからです。そしてこのテーマについては継続的に実施していきます。

金属３Dプリンターを触った事ない方には中々分かりづらい話ですが、サポート材の除去は本当に大変で根気のいる作業なのです。

出来る限り早く簡単に除去できる事により、お客様への納期対応のスピードも上がります！

サポート材のノウハウ
金属３Dプリンターでの造形をする際のサポート材のノウハウというのはそのビューローの命とも言えます。

先日工場でオペレーターと話をしながら造形品を見ていたら、以前あまり奇麗に出来なかった形状がとても奇麗に出来ていたので思わずサポート材の付け方について聞いてみたところ・・思いもよらない答えが返ってきました。そもそも私が質問するのはおかしな話ですが・・オペレーター達の間では失敗から学んだ跡がしっかりと刻まれている事がわかりました。

サポート材の付け方については講演やセミナー等でもお話はさせて頂いておりますが、基本的な事です。それでもうまくいかない場合が殆どで毎日が勝負です。

サポート材はただ付ければ良い物ではありません。熱を逃がしたり、歪みを押さえ込んだり、支えたりと色々な役割があります。しかし、後に除去しなければならないのでたくさんは付けたくありません。

それらをどう考え、またどう除去させるかまで考えなくてはならないのです。

まずは造形品がいかに奇麗に仕上がるかを考えてみましょう。

造形途中では固められた金属が膨張する事があります。膨張すると金属粉末を敷き詰める工程で設備が停まってしまう事があります。一旦停止すると収縮が始まり奇麗に造形できない事があります。ということは・・停まらない工夫が必要なのです。サポート材を多く付けるとそれだけたくさんの面積の負荷を受け止めなくてはならない事があります。特に停止しそうな箇所というのが存在します。厚肉から薄肉へ変わっていく際などはかなりリスクが高いです。そこを止めない工夫が必要だと言う事です。

次に歪みを抑える工夫です。レーザーを熱源としている以上残留応力の発生は避けられませんが造形中にそれが発生してしまうと品質に大きく影響します。だからこそしっかりとしたサポート材を付けたいところです。この残留応力を強制的に抑え込むサポート材の付け方にはタダ単に付けるのでは無理がでてきます。色々な工夫をしなければこれを乗り切る事は出来ません。

金属３Ｄプリンターのサポート材付着例

サポート材はオーバーハングしている部分や、角度が45°を割る部分には付着します。場合によっては付けなくてもいい場合もありますが、基本的には全て付いてしまいます。

このサポート材の付着によって造形の可否が決まることも少なくありません。

ついては困る場所、また取ることが出来ない場所についてしまうことがあるからです。

実際に形状で見て行くのがわかりやすいので絵でご説明致します。

灰色の部分が造形品（製品）になるのですが、赤い部分は全部サポート材となります。

両端の部分はオーバーハングによる支え、真ん中の部分は宙に浮いてしまっている部分です。

このよう場合どこが大事になるかが重要になります。真ん中の宙に浮いている部分がはめ合いにしなければいけない場合。手動工具でサポートを取るのは非常に危険なので、出来れば付いていない方がよい。となると造形方向を変える必要があります。

ところが横に造形姿勢を変えても付いてはこまる場所にサポート材が付着します。

しかも横にしたことにより積層回数が増えてしまうので造形時間が最初のものより長くなってしまうので金額まで高くなってしまいます。

もうここまでくればどのような造形姿勢が良いかはお分かりになりますよね？？

サポートの除去時間の短縮。大事な部分にサポートも付かず、そして造形時間も変わらない造形姿勢。

３Dプリンターってパズルを組み合わせるような仕事ですよね？？

どこにサポートを付けるか・・

サポート材を取りやすくするには？？時間がかからないのは？？熱が逃げるのは？ひずまないようにするには？

など多くのことを考えてから３Dプリントをする必要があるのです

サポート材の除去

金属３Dプリンターで一番大変なのがサポート除去という工程になります。なんでサポート材は同じ金属で生成される為当然のように硬いからです。樹脂の３Dプリンターのようには行かないのです。

そんなサポート除去・・実は弊社では女性が行っているんです。しかも握力もさほどない小さな女性です。

金属３Dプリンター受託造形サービスを始めた当初は、私もサポート除去をしていましたが握力が必要だと感じていました。

しかし・・彼女に聞いてみると、実はある方法を使えば力がなくともサポート材を除去できるのだと教えた頂きました。自社のサポート材工程なのに私が知らないのはお恥ずかしい話ですが、人間というものはいかに楽に早く・・ということを自然に考えるんですね。

金属３Dプリンターのノウハウの中に、造形ノウハウやサポート設計ノウハウがありますが、このサポート材除去ノウハウも本当に職人仕事と同じくらいあノウハウが必要になりますのでこれから金属造形を始めようと思っていらっしゃる企業様には是非知っていて頂きたいと思います。

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昨今の工業製品は、小型、軽量、高信頼性、効率性、および競争力のあるコストの要素が欠かせません。ブラシレスDCモータは、ブラシ付DCモータには欠かせないブラシと整流子を省いた構造により長寿命化が図られています。しかし、単純にブラシレスDCモータに置き換えるのではなく、使用する製品に求められる性能・品質を踏まえて判断することが重要です。この記事ではブラシレスDCモータのデメリットと解決のポイントを解説します。

ブラシレスDCモータは制御回路が必要
ブラシレスDCモータは用途に合わせた仕様の選択幅が広い
アウターロータ型ブラシレスDCモータのデメリット
インナーロータ型ブラシレスDCモータのデメリット
ブラシレスDCモータの設計時のポイント
ブラシレスDCモータは制御回路が必要
ブラシ付DCモータはモータに電源を接続するだけで駆動できます。一方、ブラシレスDCモータは制御回路が欠かせません。ブラシ付DCモータに比べると複雑な駆動回路が必要です。

電流を流すコイルの切り替えは、ロータ位置を検知するセンサーと半導体を搭載した制御回路で行います。コイルに電流を流したときにコイルと磁石が同極の場合には、固定されているコイルの代わりに磁石が回転します。一方コイルと磁石の極性が異なる場合、引き合う力が発生するためコイルの動きが適切に制御されなくなってしまいます。コイルの磁極を通り過ぎる際に、電流の向きを切り替えてコイルと磁石を同極にし続けることで磁石は回転し続けるのです。

制御回路では、磁極センサーなどでロータのN極・S極の位置を検出し、トランジスタなどで適格な位置でスイッチのオンオフを交互に行うことで通電位相を制御します。例えば、矩形波で120°ごとに制御する場合、60°ごとにトルクが発生します。

ブラシレスDCモータは用途に合わせた仕様の選択幅が広い
モータには多くの種類がありますが、ブラシ付きDCモータ、ステッピングモータも、いまだ重要な位置づけです。製造メーカー、種類も多くあります。部品選定時には、モータ自体のサイズや1分間当たりの回転数、トルクなど着目ポイントを確認しましょう。

一方、ブラシレスDCモータは基本設計にセンサー、制御回路が含まれ、バリエーションがさまざまです。ブラシレスDCモータを選定する際は、ブラシ付DCモータ同様にモータのスペックを確認するほか、アウターロータ型とインナーロータ型のどちらを採用するのか検討する必要があります。

また、制御回路用に使われる位置検出センサー一つをとっても、回転数、回転速度、回転方向などそれぞれのモータの仕様によって選択するセンサーは異なります。また場合によっては高分解能な光学式エンコーダやレゾルバ、センサー関連のメンテナンスが不要なセンサレスが求められるかもしれません。

検討が不十分だと、意図せず必要以上に高性能なモータを選んでしまい、製品コストに悪影響を与える可能性があります。

アウターロータ型ブラシレスDCモータのデメリット
アウターロータ型ブラシレスDCモータは、内側にコイルを組み込んだステータ（固定子）、外側にマグネットを組み込んだロータ（回転子）を配し、このロータが回転する構造です。

ロータが外側にあるためインナーロータ型よりも外径的な構造が大きくなっています。そのため、モータのサイズ制約がある場合は採用しづらい場合があります。

また、慣性モーメントは質量や外径、長さ(厚さ)に比例します。つまりアウターロータ型ブラシレスDCモータの場合、回転軸の慣性モーメントが大きく、動作に必要なエネルギーも大きくなるため、回転の立ち上がりに時間がかかる傾向です。短時間の回転立ち上がりが必要な場合は不利に働くことがあるでしょう。

回転部が外にあるため外部からの接触（やけど、擦過傷）、塵埃・液体による汚損などを防止するなどの保護対策が必要です。

インナーロータ型ブラシレスDCモータのデメリット
インナーロータ型のブラシレスDCモータは、外側に巻線(コイル)を配したステータ（固定子）があり、内側の、永久磁石を取り付けたロータ（回転子）が回転する構造です。

外径が小さいほど慣性が発生しにくいため、アウターロータ型に比べると回転軸における慣性モーメントが小さくなります。回転を始めた直後の立ち上がり特性や停止特性には優れているものの大きなトルクは出しにくくなります。

また、同じトルク特性でモータを小型化するためには、小さい磁石を採用したまま強力な磁束密度を作らなければなりません。磁石の強度、耐久性、接着強度が不十分であれば高速回転時に回転子の遠心力で磁石が破損する恐れがあり、高性能な磁石が必要です。

ブラシレスDCモータの設計時のポイント
ブラシレスDCモータを使用する場合、どのような制御回路をどれくらいのスペースで実現できるのかが重要な検討課題です。ブラシ付DCモータをブラシレスDCモータに置き換える場合、単に同等性能のトルクが出せるかなどを基準にするだけでなく、周辺機器と組み合わせた場合にブラシレスDCモータの特性が要求される機能に対してどの程度充足できるのかを検討する必要があります。

例えば次のようなさまざまな観点で課題解決の優先順位を検討することが重要です。

システム全体およびバックグラウンドでのタスク
モータ制御
診断および解析
通信
ブラシレスDCモータのデメリットは搭載製品におけるモータを含めた設計の最適化で補うことが可能です
ブラシレスDCモータにはメリットがある一方、制御回路や構造などの課題もあります。基本構造により特徴となるデメリットを理解して、部品選定や制御回路、周辺構造に配慮しながら設計を行うことが大切です。

ASPINAではお客様のニーズにお応えするため、小型・軽量・静音の製品の開発に取り組みご提案しています。ASPINAの製品は下記よりご確認ください。

スタンダードブラシレスDCモータ（インナー/アウターロータ）
アウターロータブラシレスDCモータ
インナーロータブラシレスDCモータ
モータ・関連製品のカスタマイズ

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産業用ロボットの導入を検討する場合、選択の方法が難しいことがあります。たとえば、大手自動車メーカーで使用されている大型の産業用ロボットと、他の企業の工場で使用されている産業用ロボットとでは、大きく異なることがあります。

大型の産業用ロボットが必要なのか、近年開発が盛んな協働ロボットとは何なのか。外観以外にどのような違いがあるのか。さらに、導入からランニングまで含めたコストなど、企業の経営陣や購入担当者にはわからないことがあります。

ここでは、産業用ロボットと協働ロボットの違いや、協働ロボットを選択するときのポイントをわかりやすく説明します。

産業用ロボットと協働ロボットの違い
2013年の労働安全衛生規則の改定により、安全柵なしでの人とロボットの共同作業が可能になりました。これに加え、ロボット技術の進歩により、本体に安全センサーを備えるなど人との共同作業を前提とした新たなロボットが誕生してきました。これが「協働ロボット」です。

ここでは、産業用ロボットと協働ロボットの主な違いについて説明します。両者には安全性やティーチング、作業への柔軟性・コストなどの面で大きな違いがあり、工場の自動化を目指すにあたって十分に理解しておくべき重要な点といえます。

産業用ロボットと協働ロボットの違い-1：安全性
従来の産業用ロボットが人間の作業員の代わりに働くように設計されているのに対し、協働ロボットは人と一緒に働くように設計されています。人の動きは機械に比べて不規則であるため、協働ロボットにはどのような場合でも人を傷付けない安全性が必要です。このため、協働ロボットは人の接近や、人が当たったことなどを感知するセンサーを備えています。これにより、狭い空間でも事故を回避しつつ人との共同作業を実現します。

産業用ロボットと協働ロボットの違い-2：ティーチング
従来の産業用ロボットのティーチングは難易度が高く、習得には時間を要しました。協働ロボットは、ダイレクトティーチング（直接教示法）や自動でキャリブレーションを行う機能など、ティーチング作業を簡単にできる機能を搭載しています。協働ロボットのティーチングの機能はプログラミングを容易にするばかりではなく、多品種生産への柔軟な対応を可能にします。これら協働ロボットの利点は、導入と運用開始に要するコストを下げ、段取り替えの工数を大幅に削減します。

産業用ロボットと協働ロボットの違い-3：柔軟性
工程に設置し作業するロボットである限り、ワークを運んでくるコンベアやパレットなど各種搬送装置との制御の同期といった柔軟性は重要です。特に搬送されてくるワークは向きや色が揃っていない場合、ロボットビジョンなどによる判別が必要になります。これらロボット本体周辺の機器への柔軟な対応力は、導入や運用のコスト、適用業務の広さに大きく影響します。そして、この柔軟性は従来の産業用ロボットでは実現が難しい点であり、協働ロボットが作業者に優しいロボットであるゆえんといえます。

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