3Dプリンターと従来工法（切削加工）の違い

これまでの試作品や治具の製作には、一般的に切削工法が用いられることが多かったのですが、1点あたりにかかるコストが高いなどの理由から、3Dプリンターが普及し始めました。

ここでは、3Dプリンターに用いられる3Dプリント（積層法）と従来工法の切削加工との違いを詳しくご説明します。

Nema 17 双轴リニアステッピングモータ

3Dプリント（積層法）とは

3Dプリント（積層法）とは、3DCADデータをもとにスライスされた2次元の層を一層ずつ重ねていくことで、立体物を造形する加工方法のことです。

立体物の余分な部分を削ったり切ったりして完成品の形に近づけていくのではなく、3Dプリンターで立体物を造形した時点ですでに完成品の形をしているのが積層法である、とお伝えするとわかりやすいかもしれません。

例えば球体を造形する際、3Dプリンターにデータを流し込んで造形を始めれば、初回の造形でデータ通りの球体ができあがります。そこに後追いで手を加える必要はありません。

Nema 23 防水ステッピングモーター

切削加工とは

一方、切削加工とは、さまざまな工具を使って物体を切り削り、目的の形に削り出していく方法です。

大きめの材料から不要な部分を取り除く手法で、「除去加工」とも呼ばれています。

手間はかかりますが非常に高い精度を誇っており、実際の製品と同じ材料で試作をしたり、最終製品のパーツを製作したりする際に利用されることが多いです。

ただし、後述しますが、複雑な造形には向いていません。

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3Dプリンター出力で精度はどこまで出せる？｜造形の精度を解説

3Dプリンター出力の精度

3Dプリンター出力は、複雑な形状の部品や試作品を製作することが得意な加工方法です。しかし、精度は切削加工などの他の加工方法が得意とするところです。実際に使用する部品を3Dプリンター出力で製作するには、要求する精度が出せるかどうかが判断基準になります。

3Dプリンター出力で製作した造形物の精度は、型に流し込んで作る成形品の精度から、切削加工（±0.1mm~0.05mm）程度の精度まで、造形方式や素材、形状によって大きく変わります。

素材によって精度が変わるというのは物性による条件の変化という意味もありますが、3Dプリンターによって造形できる素材が決まっており、逆に言えば素材によって造形方式が決まります。造形方式と精度の関係は大きく、その意味で素材によって精度が変わります。

熱溶解積層（FDM）方式の精度

元のデータと比較すると±0.1mm~0.2mm誤差が生じます。X,Y方向（縦、横）方向とZ方向で精度の出しやすさが異なります。

X,Y方向

加熱により樹脂材料が膨張します。そのため、X,Y方向における造形は外側寸法はプラス目に、内側寸法はマイナス目になります。片側で+0.1mmほど大きくなり、全体では+0.2mmほどの寸法誤差が生じます。

Nema 23 バイポーラステッピングモータ 

Z方向

Z方向（高さ）には積層ピッチという数値が大きく関係します。積層ピッチとは造形を積み上げていく間隔、つまり積層の厚みです。これを厚みの最小単位として高さを積み上げていきます。積層ピッチ0.3mmの場合、0.3x層数が造形物の高さになります。

高さ1.0mmのデータの造形をする場合、最小積層ピッチが0.3mmであれば1.0mmを出すことができず、0.9mmか1.2mmでの出力になります。Z方向は積層ピッチに依存するので正確な寸法を出すことができない場合があります。

また、精密な作りの形状はさらに精度を出すのが難しくなります。その理由にはノズル径が大きく関わってきます。

ノズルとは溶かした樹脂を排出する3Dプリンターの部品です。このノズル径はZ軸方向の厚みに影響します。ノズル径が大きければ1つの積層の厚みが増し、造形時間が短くなり、反対に小さければ積層が薄くなり、造形時間が長くなります。

FDM方式は上面、底面、側面（壁）、内部充填（中を埋める）を繰り返してモデルを造形します。側面（壁）の厚みが薄いほど強度が下がり、正常な造形も難しくなります。ノズル径よりも細い幅は造形できません。

Nema 23 一体型ステッピングモータ

精度を補う方法

造形物の精度は切削加工による後加工で補うこともできます。

3Dプリンター出力は真円度が出にくい傾向にあります。熱溶解積層（FDM）方式、光造形方式のどちらも樹脂の膨張がネックとなり、寸法も±0.1mm~0.2mm程度の精度が限界です。

次に、ネジ加工の精度です。ネジの形成も3Dプリンターでのプリントとなると、樹脂を積み上げていく、硬化させていくと言う方式のため雌ネジ、雄ネジ共に強度が低くなります。

※造形できないわけではありません。

最後に表面粗さです。3Dプリンターは積み上げて形を作っていく仕組みであり、どうしても階段状の積層痕が残ります。また造形物の表面はノズルの動いた軌道が残ります。

穴あけ、ネジきり加工

3Dプリンター出力で造形後にマイナス目になってしまう穴は、切削加工の追加工によりH7公差も実現します。また下穴のみを3Dプリントしておくことで、タップ加工はもちろんのこと雌ネジの強度が必要な場合はヘリサート穴にすることも可能です。

※造形方向や内部充填の関係上、強度が維持できない場合もあります。

表面粗さは切削加工(マシニング加工)にて仕上げ加工をすることで寸法を±0.05mmの精度にすることも可能です。また、材質によってはペーパーやすりによる表面研磨を施すことで、より外観を美しくすることもできます。

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材質別の強度

金属3Dプリンターはチタンやニッケル合金、アルミニウム、ステンレスなどさまざまな種類の金属を使用できるため、材質別の特徴や金属3Dプリンターで造形した場合の強度を紹介します。

なお、各材質の引張強度（引っ張ったときに切れる強さ）・耐力（物質に0.2％の永久的変形が残るときにかかった力）・伸びの数値は、パウダーベッド方式（レーザー）の金属3Dプリンターで作製した使用した場合をもとにしています。
Nema 23 防水ステッピングモーター

チタン合金 Ti-6Al-4V

チタン合金 Ti-6Al-4Vは軽量で強度が強く、錆びにくい特徴があります。さらに、熱伝導率も小さく非磁性であることから、航空宇宙分野や医療分野に多く使用される金属です。引張強度は1,210MPa、耐力は1,130MPa、伸びは10.4％とされています。

純チタン Grade-2

純チタンGrade-2は、中程度の強度と高い延性を持つ金属です。幅広い用途で使用され、例えば、航空機体などのエンジン部材や化学工業用機器、医療機器の一部などに使われています。引張強度は290MPa以上、耐力は180MPa以上、伸びは20％以上とされています。

ニッケル基合金 インコネル718

ニッケル基合金のインコネル718は、ニッケルを主体にクロムや鉄、炭素などを加えたニッケル合金です。高温強度と耐食性に優れ、航空機やガスタービン、ロケットエンジン部品、人工衛星部品などに使用されています。引張強度は1,250MPa、耐力は1,000MPa、伸びは12％です。

ニッケル基合金 インコネル625

ニッケル基合金のインコネル625は、ニッケルを主体にクロムやモリブデン、ニオブなどを加えたニッケル合金です。上記のニッケル基合金 インコネル718と同様に高温強度や耐食性が高く、航空宇宙分野のエンジン部品などに使用されることが多いでしょう。引張強度は920MPa、耐力は640MPa、伸びは20％です。

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ステンレス鋼 SUS316L

ステンレス鋼のSUS316Lは、代表的なステンレス材であるSUS304のニッケル含有量を増やしてモリブデンを添加した鋼種です。耐食性が高く延性・靱性にも優れているため、さまざまな分野で使用されているのが特徴の一つでしょう。例えば、航空宇宙分野の熱交換器や、機械部品のマニホールドやノズル、さらには宝飾品の部品などにも使用されています。引張強度は570 MPa、耐力は470MPa、伸びは15％です。

マルエージング鋼

マルエージング鋼は高い強度と優れた靱性を持ち、工具やプラスチック射出成形金型、アルミダイカスト金型、鍛造金型などに使用されています。引張強度は1,930MPa、耐力は1,867MPa、伸びは5％です。

アルミ合金 Al-10Si-Mg

アルミ合金 Al-10Si-Mgはシリコン系のアルミ合金で、強度や硬度が高いことが特徴です。使用する用途としては、熱交換器・ヒートシンクやブレーキキャリパ、ブラケットなどが挙げられるでしょう。引張強度は360～390MPa、耐力は210～220MPa、伸びは6～8％です。

コバルト基合金 CoCr

コバルト基合金 CoCrは、コバルトやクロムなどのレアメタルを使った合金です。疲労強度が高く、高温・高圧にも耐えられるため、エンジンコンポーネントや電力のガスタービン、人工関節インプラントなどに使用されています。引張強度は1,050MPa以上、耐力は905MPa以上です。

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BLDCモータのメリット

固定子に3つのコイルがあるBLDCモータは、各コイルから2本、計6本の電線がモータから出ることになります。実際は、内部での結線のおかげで3本である場合がほとんどですが、先ほどのDCモータ（ブラシ付きモータ）より1本多くなります。単純に電池のプラスとマイナスをつないだだけでは動きません。このBLDCモータをどのように動かすかについては、本シリーズの第2回で説明しましょう。今回は、BLDCモータのメリットに注目します。

BLDCモータの第一の特徴は『効率が良い』ことです。回転しようとする力（トルク）が常に最大になるように制御できます。DCモータ（ブラシ付きモータ）の場合、回転している間にトルクが最大になる瞬間は限られており、常に最大にはできません。DCモータ（ブラシ付きモータ）でBLDCモータと同様なトルクを得ようとすると、どうしても磁石が大きくなってしまうようです。小さなBLDCモータでも力を出せるのは、このような理由があります。

デジタルステッピングドライバ

二番目の特徴は、一番目と関連しますが、『制御性の良さ』です。BLDCモータでは、出したいトルク、得たい回転数などをピッタリと得ることができます。BLDCモータからフィードバックを掛けて目標の回転数やトルクに正確に持ち込めます。無駄なく正確に制御することで、モータからの発熱の抑制や消費電力の抑制につながります。電池駆動の場合、制御を緻密に行うことで駆動時間を長くすることもできそうです。

ステッピングモーターバイポーラ遊星ギアボックス

その他に、耐久性が高いこと、電気的ノイズが小さいことも特徴としてあげられます。この2つは、ブラシが無いことが寄与しています。DCモータ（ブラシ付きモータ）の場合、ブラシと整流子は接触がありますから、長期間使用すると摩耗してしまいます。接触している部分では火花も出ます。特に、整流子の隙間のところにブラシが達すると、強い火花が出てノイズになります。ノイズを出したくない用途であれば、BLDCモータの採用を考えることになるでしょう。

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製造業へ自律移動ロボットを導入するメリット

市場規模の拡大とともに、製造業への導入が進んでいくとみられるのが自律移動ロボットです。では、導入することによってどんなメリットがあるのでしょうか。

①労働力不足の解消

製造業に限ったことではないのですが、自律移動ロボットを導入する最大のメリットは労働力不足の解消です。少子高齢化や人口の減少、働き方改革等による労働力不足の代替として期待されています。

自律移動ロボットが運搬作業を担うことで、作業工程の省人化が可能です。さらに自律移動ロボットが進化することで、作業工程の無人化や製造工場全体の完全無人化も考えられています。

また、自律移動ロボットが重量物を運搬することで、従業員は身体に負担の掛かる作業から解放されます。

ブラシレスDCモータ

②多品種少量生産に柔軟に対応

少品種大量生産で発展してきた製造業は、近年の消費者ニーズの多様化に対応するため多品種少量生産へのシフトチェンジが求められています。自律移動ロボットは生産品種の切り替えに柔軟に対応できるため、これからの製造業に最適なロボットであるといえるでしょう。

また自律移動ロボットであるAMRは、AGVとは違いガイドレスで走行できます。そのため、多品種少量生産に必要なレイアウトの変更にも迅速な対が可能です。

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③IoTプラットフォーム連携

自律移動ロボットとIoTプラットフォームをデータ連携することで、生産性の向上や品質管理、トレーサビリティの強化、不具合品が発生したときの原因解析などが期待できます。また、自律移動ロボットの走行位置や充電残量などの確認ができるようにもなり、トラブルの発生を未然に防げるようになります。

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