加工で用いられる4種の方法

金属試作加工の方法は種類が多く、製品の素材・形状・個数などによって適切な方法が異なります。加工方法で強度に差が出る場合もあるため、適切な加工方法の選択には専門的な知識と経験が欠かせません。

ここでは、金属試作の加工方法を選ぶ際に、理解しておきたいおもな4種類の加工方法を紹介します。それぞれの特徴を知り、試作品の適切な加工方法を見極めるための参考にしてください。

3Dプリンターでの積層造形

積層造形とは、「Additive manufacturing（付加製造）」と呼ばれる金属加工技術の一つです。金属3Dプリンターにより、3Dデータからスライスされたデータに基づいて金属粉末などを1層ずつ積み重ねて3次元の形状を作り出します。

金属3Dプリンターは、内部に複雑な形の空洞や曲がりくねった冷却管があるなど切削では難しい形状へ加工する際におすすめです。試作加工の所要期間と費用を抑えられる点が魅力ですが、切削ほどの精度は期待できません。

鋳造

鋳造は、金属や木材の鋳型に、熱を加えて溶解させた金属を流し込んで成形する加工方法です。鋳造は使用する模型・鋳型・鋳込方法などによって種類が分けられ、種類によっては安い費用で行なえます。しかし、精度はあまり良くないので、必要な箇所に切削での2次加工を施さなければなりません。

また、従来の木型を使用する砂型鋳造ではコスト削減などに限度があったことから、鋳造用砂型3Dプリンターが注目されています。鋳造用砂型3Dプリンターは、ダイレクトに砂型を造形できるので短期間での製作が可能ですが、表面が粗くなる点がデメリットです。

旋盤による切削

切削加工とは、専用の刃物で金属を削り、余分な部分を除去して設計どおりに造形する加工方法です。切削加工にはさまざまな種類があり、そのなかで素材を回転させながら切削用の工具を当てて削る方法は「旋盤加工やターニング」と呼ばれます。

旋盤という機械で素材を固定して回転させ、バイトと呼ばれる刃物状の工具を当てて削ることで、ボルトやコネクタなどの製作が可能です。コストは比較的低く、特に丸形状の加工に使用されることが多いのが一般的です。ただし、細かい造形や中空構造には不向きな加工方法です。

マシニングによる切削

マシニングセンタという、製品加工に合った工具を選択できる工作機械を用いた切削加工を「マシニング加工」と呼びます。プログラミングに基づいて自動制御された切削工具で、素材を削って造形していく加工方法です。

素材を固定して工具が回転するため、ポケット加工や穴あけ、箱型や複雑な3次元形状の加工を得意としています。

しかし、加工の自由度が高い反面、事前のプログラミングには一定の技量が必要となり、また加工時間が長くコストが高めなのが難点でしょう。また、旋盤による切削加工と同様に、細かい造形や中空構造には不向きです。

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3Dプリンターによく用いられるフィラメントとは？

3Dプリンターに用いられる材料は大きく分けて7種類に分類されます。

・プラスチック

・木材

・コンクリート

・セラミックス

・食品

・細胞

・金属

この7種類の中で、3Dプリンター用の材料として最も使用されているのはプラスチックです。

そのプラスチックの中でも、「熱可塑性樹脂」と「熱硬化性樹脂」の2種類に大別できます。

熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂は、言わばチーズと卵のような関係だと捉えるとわかりやすいです。

チーズは最初は固体ですが、加熱すると液体になります。再び冷やすと、固体に戻り、再び加熱すると液体になります。そのため、再利用しやすい性質があります。

これが熱可塑性樹脂の特性です。

その反面、卵は最初は液体で、加熱すると固体になりますが、再び冷やしても液体には戻ることがありません。

これが熱硬化性樹脂の特性です。

したがって、熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂よりも再利用しにくいです。

近年、家庭用向けに普及しているFFF方式(熱溶解積層法)3Dプリンターに用いられる材料は熱可塑性樹脂が主流です。

その形状は細長い線状の500gもしくは1kg程度のスプール(巻き筒)状に巻かれており、それらをフィラメントと呼んでいます。

FFF(Fused Filament Fabrication)方式3Dプリンターは名称にもある通り、フィラメントを材料として造形物を作成していきます。

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歯科用3Dプリンターの用途

歯科用3Dプリンターの代表的な用途は、歯列模型や矯正歯科、インプラント治療などが挙げられます。

歯列模型は、3Dプリンターを活用することで、必要に応じて模型を用意できます。データさえあれば歯列模型そのものを保管していなくとも、必要なときに用意できるので、模型の保管スペースを別の用途で活用できるようになります。また、すぐにモデルを用意できることから、チーム内で治療計画を立てやすいのもメリットです。歯列模型を患者に確認してもらい、治療の了解を得るインフォームドコンセントとしても活用できます。

矯正歯科は、歯科用3Dプリンターを利用することで、マウスピース型の矯正装置「アライナー」を造形、インプラント治療においては、インプラントの埋入する深さや角度を事前にチェックするための「サージカルガイド」を造形するのに活用されています。

これらは、従来多くの製作工程や日数を必要としていたものが、口腔内スキャナーや歯科用3Dプリンターの利用により、自社で製作できるようになり、工程やコストを少なく抑えることが可能に。また、治療時間の短縮や精度の向上も期待できます。

これらの用途以外にも、口腔内スキャナーを用いて義歯を作る研究も行われています。

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3Dプリンター用フィラメントのQ&A

●フィラメントの劣化原因

３Dプリンターのフィラメントは水分を吸収しやすく、水分を吸収したフィラメントは劣化し、造形中のノズルつまりや、フィラメント折れの原因となります。

そのような劣化の原因の多くがフィラメントの保存方法と消費のペースにあります。

保存方法を間違ってしまうと、湿気の多い日本では短期間でもフィラメントが水分を吸収し、劣化を招きます。劣化したフィラメントを使用すると、機器の故障の原因だけでなく印刷精度の低下を招きます。

また、適切な保存方法を取った場合でも開封後のフィラメントは仕様の度に徐々に劣化が進みます。なるべく、購入・開封から短期間で使い切ることも重要なポイントです。

●フィラメントの保存方法

ＸＹＺプリンティングの純正フィラメントには、ジップ付きの保管袋と乾燥剤が付属しています。開封後は付属の保管袋に乾燥剤を入れフィラメントを保管すると劣化を防ぐことができます。また、保管場所も温度変化の少ない直射日光等のあたらない冷暗所がおすすめです。

その他には、専用の防湿箱やタッパーに乾燥剤を入れた自作の保管箱でフィラメントをほ保存するユーザー様もいらっしゃいます。

一番良くないのは、使用後も本体に取り付けたままで放置してしまうことです。使用しない時は３Dプリンター本体から外して保管することを徹底しましょう。

●異なる色同士のフィラメントを混合しての使用

３Dプリンターの機種によっては、異なる色のフィラメントを同時に使用（MIX）して使用できる機種もあります。その場合は積層によって色味を変えることができ、多様な楽しみ方ができます。ですが、その分エラーを引きやすい場合もありますので注意が必要です。

●純正品以外にも使用できるのか

フィラメントは、本体と違うメーカーの純正品以外も使える機種があります。その場合は。フィラメント直径・ノズル温度・プラットフォーム温度が、本体・フィラメントが適合しているか確認して使用します。

ただし注意すべきなのは、３Dプリンターの機種によっては純正品以外のフィラメントを認識しない機種や、フィーダーの方式によって造形ができない組み合わせもある点です。さらに純正品以外のフィラメントを使用した場合はメーカー保証の対象外になります。純正品以外の多様なフィラメントで様々な楽しみ方の可能性も広がりますが、使用にはリスクも伴う点は注意が必要です。

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ロボット業界ではどのような仕事をするのか？

それではロボット業界に進んだとき、具体的にどのような仕事をするのか見ていきましょう。

ロボット設計

工場で使用する産業用のロボットはもちろん、最近では介護用のロボットやドローンの設計に携わることもあるでしょう。ロボットの設計には工学の広い知識が要求されるのはもちろん、独創的な発想力が求められます。大規模な設計の場合は一人ではなく複数人のチームで設計することもあるため、協調性も求められることを覚えておきましょう。また、設計のチームが日本人だけとは限りません。世界に出ても通用する英語力も必要になります。

プログラミング

ロボットが動作するにはソフトウェアの開発も必要です。すでに趣味でプログラミングをしている方もいるかも知れませんが、ロボット設計におけるプログラミングでは材料工学などハード面の特性もよく理解しておかなければいけません。ハード面の設計に負けず劣らず幅広い知識が要求されます。

ロボットの管理

工場などで運用するロボットにはメンテナンスが必要不可欠。正常に稼働しているか、効率的な運用ができているかをチェックする管理者も重要な役目を担っています。

これから生まれるかもしれない仕事

働く環境が変われば仕事にも変化が出てきます。例えばロボットの運用を専門にするコンサルタント、働く人とロボットの間に生じる倫理的な問題を解決するアドバイザーなどの職業も生まれてくるでしょう。

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