3Dプリンタの造形方式

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。

ステッピングモーター電磁ブレーキ付き

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。

ステッピングモーター 平行軸ギアボックス

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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ステッピングモータについて

モータとは、電気的なエネルギを機械的な運動エネルギに変換する装置です。

モータを分類した一種類がステッピングモータです。ステッピングモータはパルスモータとも呼ばれており、

パルスで回転の角度や速度を制御することが可能なモータです。そのため、様々な業界の装置に利用されています。

バイポーラステッピングモーター 

回転の角度は、与えられるパルスの数に応じたステップ角度（1パルスで回転する角度）で動きます。

例えば、ステップ角度が1.8°のステッピングモータに100パルス与えると、180°回転させることができます。

速度は、パルス周波数に比例して変化します。周波数が低いと速度は遅く、高いと速くなります。

そして位置決めは、「パルスの数」と「パルス周波数」で決まるため、センサによるフィードバックが不要となります。

この様な「フィードバックが不要な制御方式」がステッピングモータ最大の特徴であるオープンループ制御です。

また、ステッピングモータは停止しているときにも保持力がありますので、機械的ブレーキに頼らなくても停止位置を保てます。

ステッピングモータの分類

1軸クローズドループステッピング CNCキット

［ロータ（回転子）による分類］

■VR型・・・回転子に歯車状のものを使用するものです。

■PM型・・・回転子に永久磁石を使用するものです。

■HB型・・・VR型とPM型を複合したものです。

［巻線方式による分類］

■ユニポーラ方式・・・巻線の電流を1方向に流す方式のものです。

■バイポーラ方式・・・巻線の電流を双方向に流す方式のものです。

［固定子による分類］

■2相・・・固定子が2つで構成されるものです。

■3相・・・固定子が3つで構成されるものです。

■5相・・・固定子が5つで構成されるものです。

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ブラシレスDCモータードライバの原理

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。

一体型サーボモーター

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。

ユニポーラステッピングモータ

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の原理

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。

防水クローズドループステッピングモーター 

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。

ステッピングモーター遊星ギアボックス

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モーターの種類

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。

防水ステッピングモーター

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。

ステッピングモーター高精度遊星ギアボックス

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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