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金属粉末を用いる金属3Dプリンタには、さまざまな方式があります。ここでは、それぞれの方式の特徴をくわしく解説します。
パウダーベッド方式
パウダーベッド方式とは、金属粉末を敷き詰めて熱源を照射し、金属の溶融凝固を繰り返して設計した形状を造形する方式です。
造形を終えたあとは、固まっていない粉末を取り除く工程が必要です。
パウダーベッド方式には、レーザービーム方式と電子ビーム方式があります。
それぞれの特徴について、以下で解説します。
レーザービーム方式
レーザービーム熱源方式とは、金属粉末を敷き詰めてレーザービームを照射し、溶融と凝固によって造形物を作る方式です。
最も一般的な方式であり、多くの金属3Dプリンタで採用されています。
レーザービーム方式は、SLM方式やSLS方式とよばれる場合もあります。
電子ビーム方式
電子ビーム方式とは、金属粉末を敷き詰めて電子ビームを照射し、その熱で金属粉末を溶融凝固し、設計した形状を造形する方式です。
レーザービーム方式では不活性雰囲気中で溶融や凝固が生じるのに対し、
電子ビーム方式では高真空中で溶融凝固させるため、より酸化を抑制した製品が作成できます。
レーザービーム方式
レーザービーム方式とは、レーザービームを照射して金属基材を溶融させ形成した溶融池に、金属粉末を連続供給して凝固する方式です。
ノズルやステージを移動させ、造形する仕組みになっています。
金属粉末の供給経路を切り替えれば、異なる種類の金属も使用可能です。また、速い速度で造形できるという特徴もあります。
メタルデポジション方式
メタルデポジション方式とは、溶融した金属基材に連続的に材料を供給し、金属を盛り上げて造形する方式です。
パウダーヘッド方式と比較すると、高速で造形物を作成できるというメリットがあります。
ただし、形状の精度が低いという特徴もあるため、使い分けが必要です。
メタルデポジション方式には、レーザービーム方式やアーク放電方式があります。
このうち、金属粉末を使用するのはレーザービーム方式です。
バインダージェット方式
バインダージェット方式とは、敷き詰めた金属粉末の固めたい箇所のみに結合剤を噴射してグリーン体を作成させた後、
脱脂焼成して金属成形物を得る方式です。結合剤は液体であり、バインダーとよばれています。
結合剤は材料に含めるのではなく、別途噴射する点が大きなポイントです。
バインダージェット方式は、造形速度が速いというメリットがあります。
また、金属粉末の層によって全体が支えられているため、サポート材も必要ありません。
複雑な形状にも対応できます。
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3Dプリンタの造形方式にはさまざまなものがあります。以下でそれぞれ解説します。
パウダーベッド方式
パウダーベッド方式は、敷き詰めた金属粉末にレーザービームや電子ビームなどを照射し、造形部分の金属だけを溶かして固める方式です。
造形精度が高いため、金属3Dプリンタに最もよく採用されています。ただし、造形が終わるまでにかかる時間は長めです。
メタルデポジッション方式（指向性エネルギー堆積法）
メタルデポジッション方式（指向性エネルギー堆積法）は、金属粉末とレーザービームを同時に出し、
溶けた金属を造形部分に積層して凝固させる方式です。大型の造形物も簡単に生産できます。
ただし、パウダーベッド方式と比べると、造形の形状には制限があります。精度も落ちるため、注意が必要です。
バインダージェット方式
バインダージェット方式は、敷き詰めた金属粉末に液体のバインダーを噴射して固める方式です。
サポート材を用意する必要がなく、形状が複雑な造形でも対応できます。
造形が終わるまでの時間は短いです。ただし、脱脂や焼結などの工程もあるため、他の方法と比較すると手間がかかります。
熱溶解積層（FDM）方式
熱溶解積層（FDM）方式は、一般的に樹脂の3Dプリンタで採用されている方式です。
金属を熱溶解積層（FDM）方式で造形する場合は、バインダーである熱可塑性樹脂材料を抜き取る工程が必要になります。
熱溶解積層（FDM）方式のプリンタは安価ですが、金属の密度や収縮率が低くなる点に注意しましょう。
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モータードライバは、マイコンなどのコンピュータの制御部から指示を受け、モーターを駆動、制御するための半導体デバイスです。
モーターを回転、駆動させるタイミング、速度を制御するためにはマイコンは必要なデバイスですが、マイコンが有する入出力ポートからは、モーターを直接回転、駆動できるようなドライブ能力がないことがほとんどです。
この場合、マイコンとモーターの間で制御するための信号をモータードライバが代わりに行うことでモーターを駆動することが可能になります。
モーターの中では電磁石は固定されているため、コイルに流す電流の向きを変えることで、電磁石の極性がきまり、「引き合う・反発する」を決めることができます。
モータードライバより信号を受け取ったモーターは、各電磁石の極性を変えて、モーターを動かします。
モータードライバを使うメリットとして、豊富なオンチップ保護機能やマイコン制御ソフトウェアの作成工数の短縮、部品点数を削減し基板実装面積の最小化し、簡単にモーター駆動を実現することが可能になります。
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リバーシブルモーターは瞬時可逆特性の向上、オーバーランを小さくすること、定格トルクの10%程度の保持力があるということも利点です。
欠点は時間定格が30分と運転時間の制限が決められており短い点です。リバーシブルモーターは瞬時可逆特性を向上させるために起動トルクを大きくしているので温度上昇が比較的大きく、時間定格が30分となっています。
運転のサイクルによって温度上昇の幅が異なり定格30分より長く使用できる場合もあります。使用する時の運転サイクルで温度上昇が60℃を超えない範囲で使用します。ある程度の保持力があるのはブレーキシューが一体構造となっており、耐摩擦性に優れた素材を使用しているためです。しかし、ブレーキ力には限界があるため一般的には定格トルクの10%の保持力としています。
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PMモーターは、SPMモーターとIPMモーターに大分されます。
1. SPMモーター
SPMモーターは、永久磁石をローターの表面に設置した製品です。SPMは「Surface Permanent Magnet」の略で、表面磁石型同期モーターとも呼ばれます。
特徴として、有効磁束量が大きくトルクリプルが小さいことが挙げられます。そのため、高性能サーボ用途には活用できますが、磁石の脱落懸念などにより高速な回転には不適です。この課題に対応するために、超磁力分布を改善することで、コギングトルクを低減させます。
2. IPMモーター
IPMモーターは、永久磁石をローター内部に埋め込んだ製品です。IPMは「Interior Permanent Magnet」の略で、埋込磁石型同期モーターとも呼ばれます。
特徴として、高速回転に適応で切ることが挙げられます。磁石の形や配置の自由度が大きいため、設計段階で最高回転数を柔軟にコントロールすることが可能です。最近では、HVやEVのモータに使用されており、冷蔵庫やエアコンにも応用されています。
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