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2021/08/28 17:16:29 プライベート♪
3Dプリンタ活用の基礎
今回は、何をどうすれば3Dプリンタを使って立体造形物を作ることができるのかを解説します。まず、出力の大まかなフローを紹介した上で、出力のために必要な情報(データ)の作成、さらに最終的な出力のための設定について説明します。書類を印刷する紙のプリンタと違って、3Dプリンタは加工機の一種であるため、きちんと立体を作るための最低限の設定について理解していきましょう。

1. 3Dプリンタによる造形フロー
3Dプリンタで造形物を作る流れ(フロー)は、5つの工程に大きく分類できます(図1)。工程前半は、造形したい物体の元になる3Dデータを準備し、その品質を確認する工程で、3Dプリンタは直接関わりません。最初のステップは3Dデータの作成です。例えば、紙のプリンタで書類を印刷する場合、ワードなどで文書のファイルを作成した上でプリンタにその情報を送って印刷します。3Dプリンタでもこの関係は同じです。つまり、最初に3Dデータを作成するというプロセスが必要になるのです。

2. データの作成と確認
3Dプリンタで立体物を造形するためには3次元の形のデータが必要です。写真やイラストのような画像は2次元の情報しか持っていないため、3Dのプリンタで立体物を造形することができません。

・3D CAD、3D CGによるモデリング
3Dデータを作成する方法はいくつかあります。最も一般的な方法は、3D CADソフト、または3D CGソフトを使用する方法です。CADは、Computer Aided Design(コンピュータ支援による設計)の略で、主に工業製品を作成する際に使用されます。従って、正確な寸法や角度などが求められるものを作るのに向いています。例えば、自分の家で使用している道具が壊れてしまって、代わりになる補修部品を正確に作りたいという時には、CADを使うのがよいでしょう。その一方で、自分のオリジナルキャラクターを作りたいという用途もあるかもしれません。その場合、寸法の正確さよりも、絵を描くような感性や柔軟性が求められるでしょう。そのような3Dデータを造形する際には、3D CGが向いています。CGはコンピュータグラフィックスの略です。

既に立体物の実物があって、それを元にしたいという場合には、3Dスキャナを使ってデータ化する方法もあります。しかし、それなりのスキルが必要とされるのに加え、前述の2つの方法と比較して一般的ではありませんので、ここでは詳しい説明は割愛します。また、3Dデータを自分で作成せずに、有志が有償または無償で公開しているデータ共有サイトからダウンロードして使用することも可能です。その場合、STLファイル(次項で解説)の保存や検証は、基本的に必要ありません。

・STLファイルの保存
3Dデータが作成できたら、ファイルを保存します。他の多くのソフトウェア同様に、各ソフトに固有のネイティブフォーマットがあるだけでなく、異なるソフトウェア間で読み書き可能な共通の3Dデータフォーマットが、3Dデータの形式として存在します。

3. 造形のセットアップ、出力と後処理
造形可能なSTLファイルが準備できれば、あとは出力するだけです。ここからは、直接3Dプリンタが関わる造形のプロセスについて説明します。

・造形のためのセットアップ作業
3Dプリンタで出力する場合には、設定とともにプリンタ制御のためのソフトを使用する必要があります。このソフトの役割は、主に2つあります。1つは、造形物をどの向き・どの位置に配置するのか、積層の一層の厚みをどうするのか、などの設定をすることです。これらの設定は、造形品質や造形のスピードに大きく影響するためとても重要です。これらの詳細については、第5回で説明します。

もう1つの役割はスライサーという機能で、一層ごとにスライスされたデータを3Dプリンタに送ることです。データの転送については、設定ソフトが入ったPCとプリンタの常時接続が必要とされる場合と、一度データをプリンタに送ってしまえば、PCは切り離しても問題ない場合とがあります。後者の場合は、プリンタ自体にも制御ソフトが内蔵されています。また最近では、SDカードやWi-Fiなどで制御のためのデータを送ることができるものも増えています。

この設定を行うソフトは、多くの3Dプリンタで使用できる汎用タイプのものと、個々の3Dプリンタ独自のものがあります。キットで自作するようなものは別にして、購入してすぐに使えるタイプの3Dプリンタには、多くの場合、専用のソフトが用意されています。メーカーが用意した専用のソフトがない場合には、フリーまたは商用で多機種に使用できるものを別途用意するとよいでしょう。

・出力作業
3Dプリンタが造形を始めたら、人手は伴うことはほぼありません。造形が終わるまで、早ければ数10分、長い場合でも数時間から数10間待つだけです。その間、3Dプリンタの横についている必要はないものの、出力に時間がかかる場合には、定期的に状況を確認した方がよいでしょう。出力物が造形プレートから剥はがれてしまうなど、出力がうまくいかないことも、残念ながら珍しくはありません。そのような場合、早めに状況を確認した上で修正を行い、再出力をする必要があります。

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2021/08/23 15:51:06 プライベート♪
なぜPLAは3Dプリンタで広く使われるのか
PLAはあまり一般的にはなじみがない樹脂ですが、なぜ3Dプリンタでは広く使われるのでしょうか。世の中にはたくさんの種類の樹脂がありますが、その中でもPLAがよく用いられる理由は、大きくは以下の3点になるかと思います。

収縮率が小さい
PLAは液体から固体になる際の収縮率(成形収縮率)がとても小さい素材です。そのため造形精度が高く、元の3Dデータに近い造形品を作りやすいことがあげられます。
FDM式の3Dプリンタでは収縮が小さいことが重要です。収縮が大きい材料はベッドからはがれやすく、形状や室温によっては造形途中で割れが発生することもあります。造形中のトラブルが起きやすくなるほか、もとの寸法どおり正確に出力することが難しい傾向となります。ABSと比較してPLAは出力しやすいといわれますが、これは成形収縮率がABS(0.4〜0.6%)よりPLA(0.3〜0.5%)の方が小さいことによります。

溶融時に有害物質や臭気が発生しない
PLAは基本的には樹脂を溶融しても有害物質が発生せず、安全性の高い素材だと考えられています。
FDM式の3Dプリンタでは樹脂を長時間溶かし続けるため、樹脂の熱分解によるガスが発生しやすい装置です。溶けた樹脂が出てくるときのガスもありますが、ノズル周囲やヒートブロックに付着した樹脂が分解ガスを放出することもあります。3Dプリンタに適合できる樹脂(収縮が低く、低温で溶融する樹脂)は塩化ビニル(PVC)、アクリル(PMMA)なども考えられますが、これらは熱分解で塩素ガス、アクリル酸ガスなど有害物質を発生させるためか、ほとんど使用されていません。ABS、HIPSなどの樹脂も使われていますが、石油系の不快臭が発生します。ABSは微粒子を発生させ、健康障害を引き起こす可能性があるとする文献もあります。

低温で溶融する
PLAは融点が約170℃で、比較的低い温度で使用できます。
低温で樹脂が溶融できればより安全に扱えるため、家庭用3Dプリンタには向いています。他の近い融点の樹脂はPE(ポリエチレン:融点130℃)、PP(ポリプロピレン:融点160℃)などもありますが、これらの樹脂は成形収縮率がとても大きいため3Dプリンタには不適です。

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2021/08/17 16:54:05 プライベート♪
ステッピングモータの種類と構造
分解能(またはステップサイズ)、速度、およびトルクの両方に関するステッピングモータの性能は、構造の細部に影響されます。同時に、モータの制御方法にも影響を与える可能性があります。実際には、ローターとステーターの構成が異なるため、すべてのステッピングモータの内部構成(または構造)は同じではありません。

ローター
ステッピングモータの場合、基本的に3種類のローターがあります。

•永久磁石ローター:ローターは、ステーター回路によって生成される磁場に整列する永久磁石です。 このソリューションは、良好なトルクとディテントトルクを保証します。 これは、コイルが励磁されているかどうかに関係なく、非常に強くはないですが、位置変化を阻止することを意味します。 このソリューションの欠点は、他の種類に比べて速度と分解能が低いことです。

•可変リラクタンスローター: ローターは鉄芯で出来ており、磁場に整列する独特の形状をしています(図1および図2を参照)。このソリューションを使用すると、より高い速度と分解能を達成することが簡単になりますが、発生するトルクが低くなり、ディテントトルクがなくなります。

•ハイブリッドローター:この種類のローターには独特の構造があり、永久磁石型と可変リラクタンス型とのハイブリッドになります。ローターには、歯が交互に配置された2つの柱頭があり、軸方向に磁化されています。この構成により、モータは永久磁石型と可変リラクタンス型の両方の利点、特に高分解能、速度、およびトルクを持つことができます。この高い性能はより複雑な構造を必要とするため、高いコストを必要とします。図3に、このモータの構造の簡単な例を示します。コイルAが励磁されると、Nに磁化された柱頭の歯がステーターのSに磁化された歯に整列します。同時に、ローター構造により、Sに磁化された歯はステーターのNに磁化された歯に整列します。実際のモータはより複雑な構造をしており、ステッピングモータの動作原理は同じですが、図に示されているものよりも歯数は多くなっています。歯数を多くすると、モータは0.9°までの小ステップサイズを実現できます。

ステーター
ステーターは、ローターが整列しようとする磁界を生成する役割を持つモータの一部です。 ステーター回路の主な特性には、相数と極対の数、および配線構成が含まれます。 相数は独立したコイルの数ですが、極対の数は、各相が主たる歯の対をどのように使用しているかを示します。2相ステッピングモータが最も一般的に使用されますが、3相および5相モータはあまり一般的ではありません。

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