3Dプリンター用のデータを作成する方法

3Dプリンターを動かすためには、必要なデータを作成しなければなりません。

紙のプリンターで印刷するために、PDFデータを作成するのと同じように、3Dデータを3Dプリンターに送信し、得られたデータを基に造形します。

3Dプリンターで使用される主なデータ形式はSTLかOBJです。

今回は、実際に3Dプリンターのデータを作成させるための方法とデータ作成のコツを紹介します。

データを作成させる方法は主に3つあります。

全ての方法である程度の技術力と知識が必要ですので、3Dプリンターを利用するならデータ作成の知識を得ておきましょう。

1：3DCADを利用してデータを作成する

3DCADを使うと、3Dプリンターのデータを作成できます。

3DCADで3Dプリンターのデータを作る場合、1つ1つのフィーチャーを組み合わせる形で製品にします。

フィーチャーというのは、円錐や立方体などのデータであり、このデータをすべて組み合わせる形で最終的に3Dプリンターのデータとして完成させます。

3DCADを使うメリットとデメリット

3DCADを使うメリットは、寸法が正確に作られる点です。

他の方法では寸法が上手に作られないのですが、機械部品や自動車の製品にも使われる3DCADであれば正確な寸法でデータを作成できます。

デメリットは、ある程度の知識がないと3Dプリンター用のデータとなる形状を作成できない点です。

3DCADソフト

3DCADのソフトは、フリーソフトから高額なソフトまで多種多彩なものが揃っています。

フリーソフトでも十分に3Dプリンター用のデータを作成することができます。

2：3DCGツールを利用してデータを作成する

次に3DのCGツールを利用して3Dプリンターのデータを作る方法です。

こちらはフィギュアなどの曲面が多い製品に対して使われる方法で、角ばった製品を作るのであれば3DCADが向いています。

3DCGツールの種類

CGツールと言っても様々で、例えば複数の三角形を組み合わせて3D形状を作成するポリゴンベースのモデラーもあれば、スプラインカーブを使って形状を作成するモデラーもあります。

CGツールを使って3Dプリンター用のデータを作成するなら、ポリゴンベースタイプがおすすめです。

特に、レジンアートやフィギュアなどを作成したい場合に適した方法です。

3DCGツールのメリットとデメリット

ポリゴンベースのCGツールの場合、三角形を組み合わせて面を作ります。特に数値による制御が必要ないため、初心者の方にも扱いやすいというメリットがあります。

一方で、正確な寸法を入力して形状を作成する3DCADとは違い、一定のサイズで作成することが難しいというデメリットもあります。

3DCGツールのソフト

フィギュア作りなど曲面を多用する製品を作りたい場合は、3DのCGツールを使ってください。

こちらもフリーソフトが配布されているほか、高額で販売されているソフトもあります。

最初にフリーソフトで試して、より高い機能を望むのであれば有料のソフトに切り替えるといいでしょう。

3：実物をスキャンしてデータを作成する

これは製品が既に存在している場合に使う方法です。

3Dスキャナーを用意して、既存の製品を読み取ってデータを作成します。

プロ仕様で高精度の3Dスキャナー「EinScan Pro HD」や、人物の3Dスキャンにも対応可能な「EinScan H」などが人気です。

また、3Dプリンターの中には、スキャナー機能を持ったプリンターがあります。

プリンターのスキャナー機能を利用してデータを取り、そのデータをそのまま3Dプリンターで出力して製品を作る方法です。

スキャンデータのメリットとデメリット

この方法は自分でデータを作成できないデメリットを持っているほか、既に作られている製品だけにしか対応できません。

あまり実物を使ってデータを作るという方法は使われませんが、大量生産などが必要な場合、既に作られている製品をスキャナーに入れれば、短時間で3Dプリンターのデータが得られるメリットを持っています。

最近では低価格帯の3Dスキャナーも販売されており、精度を気にしないのであれば10万円程度で購入することもできます。

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ブラシレスDCモータとは

1. ブラシレスDCモータの構造

DCモータの固定子は永久磁石で、ロータ（回転子）は電機子コイルです。そして、ブラシと整流子により、整流を行います（参考：第2回）。ブラシレスDCモータは、ブラシを持たないDCモータです。固定子には3相12スロットの電機子巻線（コイル）、ロータには永久磁石が使用されています。DCモータと比較すると、固定子とロータの役割が逆転しています。

ブラシレスDCモータでは、永久磁石の磁界とが電機子コイルの磁界が直交するように、コイルに電流を流し回転させます。電流を流す電機子コイルは、磁極位置検出器と半導体スイッチにより制御します。

コイルは、電機子の各磁極に巻かれており、電機子の中には鉄心が入れられています。電機子鉄心は、薄板電磁鋼板を積層して作られています。また固定子には、永久磁石の位置を検出する検出器が必要です。その役割はセンサが付いたプリント基板が担っています。センサの個数はモータを構成する相数と同じ数です。3相モータであれば3個のセンサが必要です。磁極検出素子には、主にホール素子が使われます。3相モータの構造は、PM（永久磁石）モータの構造と同じです。PMモータは励磁の位置が回転子と同期するのに対し、3相モータは、磁極位置によって励磁の位置が切り替わります。

DCモータには、整流とブラシが接触するため、整流子が機械的に摩耗してしまうという欠点がありました。一方、ブラシレスDCモータの構造には、ブラシが含まれないため、DCモータより長寿命というメリットがあります。

2. ブラシレスDCモータの駆動原理

DCモータは直流電源で駆動させることができますが、ブラシレスDCモータの駆動には、インバータ回路も必要です。図2は、現在広く使用されているブラシレスDCモータの駆動回路です。インバータ回路は、電機子コイルに電流を双方向に流すために合計6個のスイッチング回路（Q1～Q6）で構成されます。この回路は、インバータ主回路と呼ばれます。

図2の駆動回路では、ホールICと各相の電機子巻線軸の位相が、60度ずれて配置されています。この位置は、磁極と磁極の間です。図3は、ロータである永久磁石の位置を0度とした場合のモータの回転角と、各種信号の関係を示したものです。

ホール素子はN極が近づくとHigh、S極が近づくとLowを出力するとします。この信号に対応して、インバータのスイッチがOn、Offします。磁極位置0度から反時計方向に回転する場合、図2でQ1のスイッチは、Haの立ち下がりでOn、Hbの立ち上がりでOffとなります。これは、ちょうどU相を励磁している状態です。この場合、Haの立ち上がりから60度回転するまで、Q4がOn、60度以降ではQ6がOnとなっており、V相、W相がそれぞれ逆極性となるように励磁されています。つまり、2相ずつ励磁が行われ、電気角120度の通電になります。逆方向に回転させるときは、転流シーケンス（立ち上がりと立ち下りの関係）を逆にします。例えばU相はHbの立ち上がりでQ1がOn、Haの立ち下りでOffにすればよいのです。

U相の誘導起電力をeU(V)とすると、eUはU相に鎖交する磁束λ(Wb)の時間微分に等しくなります。従って、瞬時誘導起電力eUは次式で表します。ここでω(rad/sec)は、ロータの電気角（回転磁界の角度）での角速度です。

U相の誘導起電力

誘導起電力eUに逆らって電機子電流iu(A)を流すことで、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されます。この出力をPu(W)とすると、Pu=euiu=ωTuが成り立ちます。ここでTu(Nm)は、U相の瞬時トルクを示します。

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ハイエンドな3Dプリンターの特徴

比較しやすいよう、安価な3Dプリンターと同様に、精度、安定性、速度の項目を確認しましょう。

精度

ハイエンドな3Dプリンターの場合、「寸法精度」については、変形しにくく、中には反り返りを抑える機能がついているものもあり、精度が出やすいのが特徴です。

「表面精度」についても、均一で滑らかな表面精度を誇り、サポート材を除去する際も、表面の荒れが少ない傾向にあります。

安定性

装置のトラブルや造形失敗の頻度についても、優秀な傾向にある産業用3Dプリンター。

装置トラブルは安価な3Dプリンターと比較して起こりにくいですし、プリンターの性能による造形失敗は安価な3Dプリンターに比べてそうありません。

ただし、安価なものにもハイエンドなものにも言えることですが、造形失敗というよりは、ラフトと造形物の隙間が近すぎて、造形完了後にラフトが剥がしにくいといったトラブルは起こり得るため、ラフトと造形物の隙間設定は0.3mm弱がおすすめです。

速度

ハイエンドな3Dプリンターの造形スピードについては、実はそこまで期待できません。

というのも、ハイエンドな3Dプリンターは高精度がより意識されているため、造形スピードをあまりに高速化してしまうと、その精度を担保できなくなってしまうのです。

しかし、高精度と高速性の両立を意識して製品開発がされている機種が多いのも事実。

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金属３Dプリンターには個体差がある

どの工法においても個体差というものはあるものです。

金属３Dプリンターでも当然のように個体差がありますが、既存の工法と比べその影響が大きいと思えることがあります。

ここではどんな影響があるのかをお伝えしたいと思います。

金属3Ｄプリンターの個体差

金属３Dプリンターの個体差の中で1番困るのが風の流れです。

風の流れ？？と思った方も見えることでしょう。

多くの金属３Dプリンターではチャンバー内に風が流れており、金属粉末にレーザーを照射した際に発生するスパッタを風の流れに乗せて集塵機まで運んでいきます。

風の流れというのは目で見える部分で、風向の取り付け方、精度、強さなどで簡単に変わってしまいます。

この風の流れが違うだけで、スパッタが造形品内部に残ったり、粉末の上に乗ることによりリコーターが引っかかったりします。

当然ながら品質にかかわる重要な箇所なのです。

4台のEOSが設置されていますが、こうゆう造形品はこの設備でやらないほうがいい。という暗黙の了解が存在しています。それは数々の経験の中ならその設備のこの部分（位置）はよくないことを知っているからです。

しかし、1台しか持っていない場合はその個体差を知ることもなく、不都合なまま造形をするしかないのです。

その他の個体差としてはリコーティングです。ここでの個体差はモーターの力？です。

よく止まる設備と余り止まらない設備が存在しています。リコーティングでは負荷の大きさにより停止するのですが、違う設備で同じ製品を造形していても一方では止まらず、一方では止まるという現象です。

単純にモーターの負荷検知の部分の調整により起こる現象なのか、それともリコーター自身の個体差なのかはまだ突き詰められていません。

しかし、これらの現象でも弊社ではどの設備が強いということが分かっていますので、止まりそうな形状はあらかじめ設備を指定し造形することも日常的に発生してきます。

次にガス置換速度です。

金属３Dプリンターではチャンバー内の酸素を抜き、不活性ガスに置換してから動作することになっています。同じ容積であるにも関わらずその速度が違うのは府に落ちませんが、実際の現象として確認されています。

時間が違うということは造形時間へ影響しますし、チョコ停があった場合はさらに追加されて影響をもたらします。

酸素濃度センサーの個体差なのかチャンバーの密閉度の個体差なのかはまだ未確認です。

このように金属３Dプリンターには品質や時間に大きな影響をもたらす個体差がハッキリと認識できますが、残念ながら原因がつかみきれない場合がほとんどです。

まとめ

金属３Dプリンターの個体差

金属３Dプリンターの個体差は既存工法以上に大きな影響を受けることが多いのですが、その現象を知ることもなく使っている場合もあるのです。

しかし、同じ設備を保有している企業様から「こんな現象があるのですがどう対応していますか？」と動画が送られてきたり、メールや電話が来ることがあります。

その場合でも弊社には発生していない現象が含まれているため、私たちもまだ知らない個体差というものがあるのだと感じます。

まだ未発達の技術故の悩みなのか・・それともこの技術ではこういうものなのか・・実に頭が痛いところではあります。

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ブラシレスDCモーターの特徴と種類

＜ブラシレスDCモーターのメリット＞

長寿命

粉塵、騒音が発生しない

制御性、効率性に優れる

DCモーターには、ブラシがあることで整流とブラシが接触し、その結果、ブラシの磨耗による粉塵、寿命が短くなる、接触摺動による騒音が発生してしまうなどの欠点があります。

一方、ブラシレスDCモーターの構造には、ブラシが含まれないため、DCモーターより長寿命であり、粉塵や騒音もDCモーターと比べれば発生しません。また、制御性や効率が優れるDCモーターのメリットはそのまま受け継いでいます。

＜ブラシレスDCモーターのデメリット＞

ローターの回転角度に合わせてステータのコイルの電圧を制御しなければ、効率よく回転し続けることができないです。

＜ブラシレスDCモーター分類表＞

永久磁石同期モーター(PMSM)

表面磁石同期モーター(SPMSM)

埋込磁石同期モーター(IPMSM)

シンクロナスリラクタンスモーター(SynSM)

ブラシレスDCモーターの分類に関しては、各企業によって呼び名等も異なるため、上記の限りではありません。

大まかな特徴としては、永久磁石同期モーターはローターに永久磁石を持ち、シンクロナスリラクタンスモーターはローターに磁石を持ちません。表面磁石同期モーターは、ローターの表面に永久磁石を貼り付けた永久磁石同期モーターであり、埋込磁石同期モーターは、内部に永久磁石を埋め込んだ永久磁石同期モーターです。

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