つれづれデジカメ日記

1.スカラロボット
水平方向の回転軸を3軸持ち、垂直方向の直線軸を持ったロボットのことです。

単純で制御しやすく、速度も高速化できることが特徴です。そのため、製品を箱に整列して入れていくようなピック＆プレースで用いられます。また、位置精度が高いため、ハンド部分にアタッチメントをつければ、接着剤の塗布やねじ締めなどの工程でも使用できます。


2.垂直多関節ロボット
前に挙げた2つのロボットと違い、複雑な動作が必要な場合に使用されます。集積された製品束の箱詰めや、作業スペースに制約がある箱詰めなどの作業が挙げられます。注意点としては、スカラロボットやパラレルリンクロボットに比べて速度が遅くなってしまう点や、複雑な制御を扱える技術者が必要になることです。


3.パラレルリンクロボット
さらに速度を要求したいときにおすすめなものが、パラレルリンクロボットです。特に、小さい製品の箱詰めであったり、バラ積みピッキングなどで多用されます。ただし、設置場所や動作範囲の制約があるため、条件によっては使用できないこともあります。

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金属積層造形と一口に言っても、モデルによって造形の仕方に違いがあります。ここでは、金属積層造形で採用されている造形方法の種類についてご紹介します。

パウダーベッド方式

パウダーベッド方式（PBF：Powder Bed Fusion）は、金属粉末を敷き詰めた床にレーザーやビームを照射して溶融・凝固を繰り返し、造形する方式です。パウダーベッド方式は、金属積層造形の種類のなかで最も多く採用されています。

パウダーヘッド方式は、さらに細かく分けると、レーザー熱源方式と電子ビーム熱源方式があります。レーザー熱源方式は、造形精度が比較的高く、微細な形状を得意としますが、スピードに乏しい特徴があります。一方で電子ビーム熱源方式は、造形スピードが速いものの、精度が比較的出にくい特徴があります。

パウダーベッド方式のメリット・デメリットは以下の通りです。

●パウダーベッド方式のメリット

・レーザーを用いた造形は、精度が比較的高い

・ポピュラーな方式のため、3Dプリンターの選択肢が豊富

●パウダーベッド方式のデメリット

・造形に時間がかかる

・サポート除去の手間がかかる

メタルデポジッション方式
メタルデポジッション方式は、金属粉末を吹きつけながらレーザーを照射して金属を積層し、凝固させていく方式で、別名「指向性エネルギー堆積法」とも呼ばれています。

メタルデポジッション方式は、肉盛りのような形で積層していく仕組みのため、一から造形するだけでなく、欠損部分を補修することも可能です。


●メタルデポジッション方式のメリット

・既存製品の補修が可能

・パウダーベッド方式よりも造形スピードが速い

・金属粉末の除去作業を必要としない

●メタルデポジッション方式のデメリット

・造形できる形状に制限がある

ADAM方式

ADAM方式は、樹脂材料を用いた3Dプリンターに多く採用されているFDM方式（熱溶解積層法）と同じく、材料をノズルから押し出して造形する方式です。

ADAM方式では、金属材料とバインダーを混合した素材を熱で溶解して積層していきます。造形後は脱脂をして、バインダーを取り除く必要があります。バインダーを除去したあと、炉に入れて焼結させることで、金属製品ができあがります。

●ADAM方式のメリット

・他の方式に比べて高強度・高密度・高精度の金属製品を短い時間で造形できる

・金属粉末が飛び散らないため、安全性が高い

・3Dプリンターの導入コストが抑えられる

●ADAM方式のデメリット

・脱脂や焼結の工程が必要

バインダージェット方式

バインダージェット方式（Binder jetting）は、金属粉末にバインダーと呼ばれる液体結合剤を噴射して固形化する方式です。

ADAM方式と同じく、造形後にバインダーを除去するために、脱脂・焼結の工程を必要とします。

バインダージェット方式には以下のメリット・デメリットがあります。

●バインダージェット方式のメリット

・サポート材の除去が不要

・未使用の金属粉末は再利用できる

・造形速度が早い


●バインダージェット方式のデメリット

・表面精度が粗い

・強度が弱い

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1. 光造形方式
光造形方式とは、特定波長域の光を液体樹脂に照射させることで、化学反応を起こし固体化します。光造形技術のほとんどは、この現象を使い一度に1層を構成物をつくります。光造形方式のメリットとして、数時間から1日程度で精度の高い製品を完成させることができます。

ステレオリソグラフィー（SLA）とデジタルライトプロセッシング（DLP）
光造形方式であるステレオリソグラフィー（SLA）とデジタルライトプロセッシング（DLP）は、液体樹脂を入れた半透明のタンクを使用します。構造的には、機械本体上部から下部に沿って[プラットフォーム/樹脂を入れるタンク/光線装置]の構造です。

製造工程の流れについては、液状樹脂を入れた半透明タンクにプラットフォームを沈めます。プラットフォームがタンクに沈むと、光線装置がタンクの底を照射し材料を硬化させます。このとき、底の1層が形成され、製品の一部となります。その後、一旦プラットフォームは持ち上げられ、その作られた1層の下にまた新しい層の樹脂を流します。この作業を製品が形状が完全に出来上がるまで行います。この光造形方式は2種類あり、ステレオリソグラフィー（SLA）はレーザーを使用します。デジタルライトプロセッシング（DLP）はプロジェクターを使用します。

この光造形技術は、デスクトップ(家庭用)3Dプリンターでも利用可能です。また、樹脂原料の種類はエポキシ系やアクリル系の紫外線硬化樹脂に限定されますが、強度や柔軟性、耐候性があるABS樹脂やウレタン原料も出てきています。

また、ステレオリソグラフィー（SLA）とデジタルライトプロセッシング（DLP）について、精密部品の製造や表面を滑らかにしたい部品に向いており、細かな彫刻や宝石部品の試作として通常利用されています。なので、サイズも小さなものに向いており、大きな造形物の製造にはあまり適していません。

2. 熱溶解積層方式（Fused Deposition Modeling：FDM）
熱溶解積層方式（Fused Deposition Modeling：FDM）の製造方法は、フィラメントと呼ばれる糸状になっている材料を使用します。このフィラメントは、3Dプリンター機械に設置されてあるリールに巻かれ、3Dプリンター内部にある加熱されるノズルに先端を挿入します。その後、材料は溶融され、溶融状態になった材料をプラットフォーム上に押出しながらコンピューター上で設計された経路に沿って移動していきます。押し出された材料は1層ずつ積み重なり、すぐに冷やされ固体化します。製品全体が完成するまで積層押出しが繰り返されます。

このFDM技術は3Dプリンターマーケットの中でも安く利用できる技術であり、またABSやASA、PC、ポリカABS、ナイロン、PSF(ポリサルフォン)、PLA(ポリ乳酸)、ポリアミド(ナイロン)、PEI(ポリエーテルイミド)、カーボン、ブロンズ、ウッドなど幅広い材料を使用することができます。

FDMは、3Dプリンター試作技術の中でもスピーディーかつ安価に製造出来る特徴があります。なので幅広い領域分野で使用できます。特に電子製品分野では、FDM 3Dプリンター技術を使った最終製品が注目されています。但し、精密部品など複雑を極める部品などには不向きなので、使い方にも工夫が必要です。


3. マテリアルジェッティング方式（インクジェット・マルチジェット・プリント方式）
マテリアルジェッティング方式（マルチジェット・プリント方式）は、紙に印刷するインクジェット印刷に似ていますが、インクを紙に噴射する代わりに、液体樹脂をプラットフォームに噴射し、紫外線(UV)をで硬化させます。

このマテリアルジェッティング方式の製造工程は、製品データ形状のマップ通りに液体樹脂がプリントヘッドを通して噴射されます。その後、紫外線(UV)を照射し、液体樹脂を硬化させます。これを繰り返して樹脂を積層し、製品を完成させます。

マテリアルジェッティング方式は、主に工業用3Dプリンターで使用されます。選定できる材料は、靭性、透明性またはゴム様の柔軟性を含むいろいろな特性をもつ液体樹脂から選べます。最新技術では、様々な色と特殊液体樹脂を組み合わせたマテリアルジェッティング方式がでてきています。

マテリアルジェッティング方式の特徴は、試作をスピーディーに行え、また現実的で機能的な製品をつくることができます。精密な製品も得意としていて、最大16ミクロン（人間の髪の毛よりも薄い）の層で印刷ができます。

4. 粉末レーザー焼結積層造形方式（Selective Laser Sintering：SLS）
粉末レーザー焼結積層造形方式（Selective Laser Sintering：SLS）は、粉末状の層をレーザー光線を使って溶融して硬化させ、製品を製造します。

このSLS方式のプロセスでは、まず最初に粉末の中にレーザーを照射し、製品の一部を形作りながら材料を溶融、焼結させます。一旦その粉末層が硬化するとその粉末層は下に下がり、新たにローラーを使って上部に粉末層が敷かれます。完成品ができるまでレーザーを照射を繰り返し連続的な層を形成します。

SLS方式は、主に産業用で使用されていますが、デスクトップタイプも市場には出回っております。SLS方式に使用できる材料には、ポリアミド（ナイロン）、ポリスチレン、セラミック、熱可塑性エラストマーなどの材料を使用できます。

機能部材や最終製品を製図するため、このSLS方式は利用されています。SLS方式レーザー焼結の最大のメリットは、自由な設計ができることです。使用される粉末が造形物の支持体として作用し、複雑な造形物を作ることができます。このプロセスのデメリットは、冷却に時間がかかり、納期までに時間がかかることです。

5. インクジェット粉末積層方式（バインダージェッティング・カラージェット・プリント方式）
インクジェット粉末積層方式（バインダージェッティング・カラージェット・プリント方式）は、粉末を硬化させて製品を形作る点ではSLSに似ていますが、層をレーザー照射させ硬化させる代わりに、接着剤を使用し固めます。


インクジェット粉末積層方式の製造工程については、粉末層に接着剤と粉末を交互に噴射させ製品形状を形作ります。次に、製品形状が作られた層の上に新たな粉末が敷かれ、製品形状が完成するまで同じ工程が繰り返されます。完成した製品については、プラットフォームから取り出して洗浄し、変色しないようにコーティングを行います。

インクジェット粉末積層方式は、主に工業用3Dプリンターとして利用されており、通常使用される材料は、フルカラーの砂岩です。インクジェット粉末積層方式の材料コストや工程コストが割安のため、SLS方式と比べお手頃価格で試作が可能です。

インクジェット粉末積層方式はフルカラーで印刷できることが特徴であり、建築モデルや彫刻の分野で利用され、発色性が機能する分野で人気です。また、SLSと同様に、粉末が支持体として機能し複雑な形状が作れることです。
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金属3Dプリンターは多くのメリットがあるため、以下の業界に使用されています。

医療分野
医療分野では、金属3Dプリンターが積極的に使用され始めています。なぜなら、患者に合わせて最適な形状に設計した「人工骨」や「入れ歯」を提供する必要があるためです。

金属3Dプリンターでは、CADデータで自由に形状を制御できるため、各患者に最適なモデルを作製できます。

そのため国内でも、金属3Dプリンターで作製した人工骨の「薬事承認（製造販売に必要な承認）」を取得する企業・研究グループが増えています。


自動車業界
自動車には、切削加工が難しいチタン材料や複雑形状のパーツが、数多く使用されています。したがって自動車業界は、金属3Dプリンターのメリットを活かしやすい分野です。

イタリアの自動車メーカー「ブガッティ」は、サーキット専用のモデルを生産し、金属3Dプリンターで作製したパーツが採用されています。

ただし、このモデルは限定40台のスーパーカーであり、量産品には実用化されていません。大量生産の課題を克服できれば、金属3Dプリンターの使用頻度が増えるでしょう。


航空宇宙分野
金属3Dプリンターは、航空宇宙分野にも使用可能です。航空機エンジンに使用するタービンブレードや燃焼ノズルは、鋳造・切削加工が難しい複雑な形状であるため、金属3Dプリンターが適しています。

アメリカの航空機エンジンメーカー「GEアビエーション」は、燃焼ノズルの造形に成功し、実際にエンジンへ搭載されています。

従来は20個以上の部品を組み立てていましたが、金属3Dプリンターの活用によって製品の一体化を実現。組み立ての手間や、部品管理コストの削減に成功しています。

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造形方式に合わせたデザインや設定の知識が必要
金属3Dプリンタを使いこなすには、デザインや設定に関する知識が必要です。
知識がないまま金属3Dプリンタを使用すると、思ったような造形ができない可能性があります。
造形方式によって実現できるデザインや最適な設定方法には違いがあるため、
それぞれを理解したうえで金属3Dプリンタを有効活用しましょう。


現段階での用途は限定される
金属3Dプリンタを導入している業界や企業は、まだ多くはありません。そのため、現段階での用途は限定的です。
金属3Dプリンタを導入する際は、目的を明らかにしたうえで十分活用できそうか検討しましょう。

部品については基本的に加工が必須
金属3Dプリンタで作った造形物は、基本的に再び加工する必要があります。
表面の仕上がりや寸法精度は、従来の機械加工には劣るためです。
複雑な形状を金属3Dプリンタで作り出したら、改めて加工して微調整しなければなりません。
そのため、最初から二次加工を意識して設計する必要があります。


費用対効果が低くなる可能性がある
すでに触れたとおり、金属3Dプリンタの用途はいまのところ限定的です。
そのため、コストをかけて導入してもそれを回収できるかどうかは不透明です。
目的によっては、費用対効果が低くなる可能性もあります。

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3Dプリンタを選ぶ際には、どの程度精密に立体モデルを作成できるのか、精度についても考えることが重要です。
3Dプリンタにおける精度とは、立体の仕上がりを表す表面精度（粗さ）と、設計図と同じものを製作する寸法精度の2種類にわけられます。
3Dプリンタの精度にはさまざまな要素があり、すべての製品に「精度」という項目で説明があるわけではありません。
そのため、それぞれの数値が必要な精度を満たしているのか確認することが一般的です。
なお、どのような要素があるのかは後述します。


3Dプリンタと加工機の精度の違い
3Dプリンタも加工機も、立体モデルを作成するための機械です。しかし、それぞれ加工方法に違いがあります。
3Dプリンタは樹脂や金属粉末をプリンタで積層させて立体モデルを作成する足し算の製作方法です。
一方、加工機は棒状やブロック状の材料を削って目的の形状を作り出す引き算の製作方法です。
3Dプリンタの寸法精度は数十～数百ミクロンほどが大多数ですが、加工機は数ミクロンからそれ以下の誤差しか生じません。
3Dプリンタは加工機と比較するとどうしても精度は落ちます。また同様に表面粗さも加工機の方が圧倒的に優れます。


3Dプリンタを使用するメリット
3Dプリンタは加工機よりも精度は落ちますが、形状によっては製作にかかる時間が短くコストも抑えられます。
こういった手軽さから、アイディアが浮かんだときもすぐに造作可能です。
試作品作製のときなど、微調整をしつつ何度も作成できるようになり、よりよい製品開発につながるでしょう。
また、加工機のほうが精度が高いことは事実ですが、加工機では製作不可能な形状が、3Dプリンタでは製作出来ることがあります。
寸法精度としては落ちるといっても数十～数百ミクロンの差でしかないため、加工機ではなく3Dプリンタを利用するメリットも大きいでしょう。

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