3Dプリンターが持つ試作検討でのメリット

3D CADによるデジタル試作検討では検証できない項目は実際に試作を製作する必要があり、3Dプリンターの真価が発揮できます。

① 試作品の短納期

現在の開発期間短縮の流れに対応するためには、試作品の短納期が必要です。3Dプリンターは通常の試作品と異なり、図面作成や手配などが省略出来るので最短で試作品を手にする事ができます。

② 複数の設計案（形状、材料違いなど）が可能

開発期間中には試行錯誤を繰り返しますので、予め複数の設計案で試作検討を行えるのが理想です。3Dプリンターでは3D CADのモデルがあれば即時プリントアウトでき、試作屋さんに発注する必要もないので試作コストも削減できます。

試作検討で3Dプリンターの欠点を補う

3Dプリンターには精度や強度などの欠点がありますが、追加工などで補うことができます。プリントアウト直後は面が荒くモックアップサンプルとして利用できませんが、追加工（切削や、研磨）で対応できます。また強度の問題も、試作検討時のみ部品形状に補強リブなどを追加して対応できる場合もあります。この様に量産品と異なり、試作品は3Dプリンターに合わせた対応が出来ます。

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世界で初めてのロボットとは？～ロボット産業の歴史～

日本は今やロボット産業大国とも呼ばれ、その開発において最前線を走る国の一つです。

多くの人はロボットと聞くと人の形状をしたものを思い浮かべるかと思いますが、産業で使用されるものはそうではないものがほとんどです。

生産工場のラインで使用されるものや、建築現場、農作業などで使用されるものなど多岐に渡り、今や産業ロボットは世界中に120万以上存在すると言われています。

世界で初めて実用化されたれたロボットとは

その歴史をさかのぼると、最も古く作られたのは1961年にアメリカのユニメーション社の「ユニメート」、同じくアメリカのAMF社の「バーサトラン」が世界で初めて実用化された産業ロボットとされています。

ユニメートは移動はせず、工場のベルトコンベヤーの横に設置される形態のものです。

プログラミングされた関節座標に基づき独自の動きを成すもので、入力工程で保存された動きを運転中に再現するというものでした。

日本でのロボット生産の始まり

日本国内では、川崎重工業がユニメーション社と技術提携をして日本版のユニメートを1960年代後半に生産開始したことがロボット産業の始まりとされています。

日本版ユニメートは自動車製造の際のスポット溶接作業に使用されました。

日本でも1970年代に入ると国内大手製造業の多くがロボット産業に参画し始め、1980年代には開発競争が激化し始めます。

ロボット産業ブームの到来

一方、当時の開発先進国アメリカでは1969年にスタンフォード大学が全電動式6軸関節式ロボット「スタンフォードアーム」を開発します。

スタンフォードアームはアームソリューションに基づき動くもので、溶接以外にも組み立て作業などより多くのタスクをこなすことができる技術として注目されました。

また、世界で初めて開発された商業的に入手が可能な完全電気式マイコン制御ロボットは、1973年に欧州のABBロボティックスにより開発された「IRB6」です。

初期のモデルはスウェーデンの会社に販売され、切削と研磨管の曲げの工程に使用されました。

日本と同じく1980年代に入ると世界的にもロボット産業のブームは最高潮となります。

そして現在に至るまで開発と採用は右肩上がりに増し、1998年には世界中で69,000台の生産台数から2014年には20万台を超えるところまで成長しています。

ロボット産業の今後

現在では産業としてだけではなく、介護や医療、掃除、警備、レスキューなどのサービスに使われるものや、接客、教育、家庭用などその用途の幅も大きく広がっています。

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3Dプリンターの方式・仕組み・特徴を解説

3Dプリンターの仕組み

3Dプリンターは材料を1層1層積み上げていくことで、高さのある造形物を出力します。

様々な方式はありますが、基本的に層を重ねていくことで造形するという点に変わりはありません。

そのように、原理としては非常にシンプルです。

扱える材料も、プラスチック（樹脂）、金属、カーボン等、様々な材料を使って造形することができます。

現在主流 FDM方式

日本語表記：熱溶解積層方式（Fused Deposition Modeling）

ISO分類：材料押出法（Material Extrusion）

その他表記：FFF方式（Fused Filament Fabrication）

FDM方式の概要

FDM方式とは、3Dプリンター世界シェアNo.1である米国Stratasys社が開発した方式です。

現在3Dプリンターにおいて主流の方式です。

FDM方式による造形

熱で溶かした樹脂をノズルから押し出し、ソフトクリーム製造機のようなイメージで、一筆書きで１層１層積み重ねて造形していきます。

この画期的な方式はストラタシス創設者のスコットクランプがグルーガンを見て想起したという逸話が残っています。

FDM方式の強み

本物の熱可塑性樹脂を使えること、だからこその強度・耐熱が強み

熱可塑性樹脂は射出成形で用いられており、量産する最終製品でよく使われるプラスチック材料です。代表的なものにABS樹脂等があります。

そのため、試作（プロトタイプ）であっても、最終製品に近い物性のリアルで機能的な試験も可能であり、製造業において重宝されています。

他の方式では紫外線硬化樹脂を用いるものが多いため、ABSそのものではなくABSに近い物性を持つ「ABSライク樹脂」が開発されています。

多様な物性の素材が使える

FDM方式、特にハイエンド機種では産業界で求められる様々な物性の樹脂に広く対応しています。

エンジニアリングプラスチック、スーパーエンプラまで使えるなら、特殊用途の最終製品まで使えるイメージが沸くのではないでしょうか。

段差も目立ちにくいキメの細かな機種も

初期の頃は層を積み上げた際にできる段差が目立つ傾向がありました。

しかし近年では、材料も装置も進化していることから、従前より段差も目立ちにくくなりました。

FDM方式の弱点

FDM方式は比較的積層痕が目立ちやすいため、物性よりも外観のなめらかさ、プロダクトデザインにおける表現力を重視する用途では、FDM方式よりインクジェット方式の方が適していると言えるでしょう。

また、FDM方式だけでは金属の造形ができません。そのため、金属で造形したい場合は金属専用の3Dプリンターを導入する必要があります。

どのようなシーンで選ぶべきか？

製造業における試作（ラピッドプロトタイピング）、治具・工具の製作、最終製品の造形をしたい場合で、強度が求められるものはFDM方式を選ぶと良いでしょう。

最も古い 光造形方式

ISO分類：液槽光重合法（Vat PhotoPolymerization）

その他表記：SLA方式（Stereo Lithography Apparatus）

光造形方式はSLA方式とも呼ばれます。

さらにSLAの中には、レーザー光を用いるレーザー方式と、一括面露光をするDLP方式があります。

光造形方式の概要

光造形方式は、最も古い3Dプリンターの方式です。

レーザー方式

レーザー光を照射し、光に触れた箇所が硬化される仕組みです。光造形方式の中でも古くからある方式です。

DLP方式

プロジェクターのように像を作り、一括面露光する仕組みです。

造形物の面積が広い場合はレーザー方式と比較して高速露光できることが強みですが、像を作る際、ピクセル単位で描画することから、照射する範囲を広げると解像度が落ち寸法精度が出にくく、また造形物の表面は水平・垂直の両方向に積層痕（段差）が出てしまいます。

光造形方式の強み

きめの細かな造形物が作りやすいこと、個人向けでは安価なモデルが多数登場していることが挙げられます。

造形速度は比較的速い傾向があります。

光造形方式の一般的な弱点

産業用途の光造形機は高額なものが多く、コストが高くなりがちです。

紫外線硬化樹脂を用いるという性質から、太陽光など光による劣化が起こりやすくなる性質があります。

吊り下げ方式のため大型のモデルの造形に適していなかったり、変形が起こる可能性もあります。

そのため、耐久性を求める用途、最終製品として用いる用途ではベストとは言えません。

また、造形後のアルコールや溶剤での洗浄や二次加工、剥離によるサポート除去など後処理に手間が掛かるものが多いです。

どのようなシーンで選ぶべきか？

歴史的経緯として古くはラピッドプロトタイピングに多く使われてきましたが、3DプリンターのDDM（デジタル・ダイレクト・マニュファクチャリング：最終製品や治工具の製造に3Dプリンターを利用する）が浸透するにつれ、役割は変わりつつあると感じます。

個人向けの3Dプリンターでは良い機種が揃ってきていますので、強度・耐久性を必要としないシーンで小さなサイズのモデルを手軽に造形したい場合にお勧めです。

光造形方式の弱点を克服した機種がStratasysから登場

従来型の光造形方式の3Dプリンターの弱点であった耐久性の弱さや生産性の低さを克服した機種がOrign Oneです。

高精細で表現力が最も高い インクジェット方式

ISO分類：材料噴射法（Material Jetting／マテリアルジェッティング）

その他表記：PolyJet方式※Stratasys社

インクジェット方式の概要

インクジェット方式という通称もありますが、正式分類では材料噴射法と言います。

その名の通り、材料を噴射し、それに対し光を当てて１層１層積んでいきます。

構造が2Dプリンターでいうインクジェットプリンターに類似していることから、インクジェット方式と呼ばれています。

高精細でリアルな造形物を作ることができる方式です。

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ステッピングモーターの誤動作

ドライブICとは直接関係のないステッピングモーターの誤動作について説明します。

ステッピングモーターはステーター側の電磁石の励磁を順番に切り換え、それにローター側の永久磁石が吸引・反発し、電磁石の励磁変化に同期しながら回転します。

モーターを動かす場合はローター位置が電磁石の励磁に同期していると想定して制御を行いますが、ある条件においては、電磁石の励磁の変化に追従できず同期が外れてしてしまう場合があります。そのある条件での誤動作についての説明をします。

1. ステッピングモーターのローターの挙動

ステッピングモーターのローターは、ステーターの電磁石と吸引・反発して動作するため、

1ステップずつ動かすとローターは減衰振動して安定点で停止します。

この振動は、モーターサイズ，コイル巻き線，励磁電流，励磁方式，ローター慣性，負荷の粘性／慣性などで変化します。

高速で動かす場合は、振動が発生する前に次の指令パルスが入ってくるため、振動の影響を受けなくなります。

2. ステッピングモーターの脱調

先に説明した通り、ステッピングモーターはステーター側の電磁石の励磁切り換えに、ローター側の永久磁石が同期して回転します。ステーター側の電磁石の励磁変化が急激だったり、励磁変化の速度が速すぎたりすると、ローターの動きが電磁石の励磁変化に追従できず同期動作できなくなる場合があります。これを脱調と言います。

一定周波数のパルスを入力してモーターが同期起動できる速度を自起動速度と言い、その速度以上では電磁石の励磁変化にローターが追従できずに脱調してしまいます。自起動速度以上のプルアウトトルク内で動かす場合は、プルイントルク内で起動させた後、加速させてローターが追従出来る様にします。

プルアウトトルクを超える様な速度では電磁石の励磁変化速度にローターが追従できずに脱調してしまいます。

その様な場合は、①高速で回せるモーターを使う，②モーター電圧を上げる，③モーター電流を調整するなどの対策が必要です。

3. ステッピングモーターの乱調

ローターが振動している時に次のパルスが入力されると、正方向に回ろうとする力と振動で逆方向に動こうとする力がぶつかって打ち消し合う場合があり、負荷条件やモーターの固有振動数などによっては、ローターが正常に動けず位置ずれが発生する場合があります。これを乱調と言います。乱調が発生するパルス周波数は幅を持っており、この周波数帯域を乱調域と言います。

乱調域は2-2相励磁(基本ステップ)で、PMモーターは250pps以下，HBモーターは500pps以下の帯域にある場合が多いです。

乱調の対策としては、①乱調域を避けて使う，②駆動電流を減らす，③マイクロステップを使う，④ダンパーを付けるなどがあります。

4. ステッピングモーターの逆転

大きな負荷慣性，動作速度，ローター振動などの条件が重なった時に逆方向の外力が加わると、逆方向に回転してしまう場合があります。

ステッピングモーターはステーター側の電磁石の励磁切り換えに同期し、ローター側の永久磁石が吸引・反発して回転します。

しかし、大きな慣性の負荷に、ぶつかるなどの原因で逆転方向の力が加わった場合、反発し合う励磁点を乗り越えて、次の励磁安定点に向かって逆方向に動いてしまう場合があります。その場合、電気角で－270゜分移動してしまいます。

負荷慣性，ローターの振動，パルス入力速度などの条件が重なった場合は、連続して反発し合う励磁点を乗り越えて、逆方向に正常動作時の3倍の速度で回転してしまいます。

逆転の対策としては、

①負荷慣性を小さくする，

②動作速度を変更する，

③モーター電流値を調整する，

④プルイントルクが外力より大きいモーターを使用する，

⑤乱調域を避けて使用するなどがあります。

また、

⑥安定点と安定点の距離が短い1-2相励磁やマイクロステップなどの励磁方式も対策として有効です。

ステッピングモーターはフィードバック制御不要で位置，速度制御が可能なモーターです。

ただし上記の様なウィークポイントもありますので、それらを理解の上で適切な条件で使用して頂ければと思います。

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3Dプリンターの影響を感じている5大産業

既に3Dプリンターを使用して製造している産業

マッキンゼー、ゴールドマンサックス、クレディスイスなどの専門企業が3Dプリントが及ぼす市場の影響について言及し、様々な産業に影響を与えることが予測されている。

実際に既に影響を受け、3Dプリンターを取り入れている5産業の記事をご紹介します。本記事はコンサルティング会社ＣＳＣのレポートをもとに作成されてます。

自動車産業

自動車産業は最新のアダプタの一つを3Dプリンターで製造される部品に取り入れている。しかし、すぐに車のボディの部分が3Dプリントされた車を見ることができるだろう。

Urbee社という自動車会社のビジネスモデルはまさにボディを3Dプリントするビジネスモデルをとっている。この会社は地球上で最もエコな車を作りたいメーカーだ。クレディスイスのトップ銘柄の一つである3Dプリンター最大手のStratsys社はUrbee社のスポンサーである。

防衛産業

EOIR Technologies社は防衛産業の企業で、3Dプリンターを使用してM1エイブラムス戦車とブラッドリー戦闘車両用の銃の標準カメラを大量生産している。ＣＳＣコンサルティングによると歯車製造において60％のコストを削減したとされている。

医療産業

クレディスイスのレポートは医療分野においては、補聴器の90％が3Dプリンターで製造されており、そのほかには股関節や膝関節での使用がされている。しかしそれだけではなく、耳や指、腎臓などの単純な軟部組織が既に3Dプリンターで製造されている。

航空産業

ボーイングは3Dプリンターを使用して300の様々な部品を製造している。ボーイングの環境制御排気ファン（基本的には専門的なチューブ）は20個の小さな部品から組み立てられていましたが、今は3Dプリントによって単一の部品として送り出されている。

このことは棚卸やメンテナンスに関わるコストを削減するだけではなく、燃料コストも削減している。また数社の航空宇宙メーカーも特定の部品を現場の3Dプリンターを使用することで輸送コストを削減している。

小売産業

3Dプリントは自宅だけではなく、ＵＰＳのようなプリントサービスを行っている場所で誰でも簡単に消費財を印刷することができるようになるかもしれない。ＣＳＳコンサルタントは自宅用の3D印刷がどのように店舗での衰退を加速させるかという実例となる話を例としてあげている。

最近、私たちの研究者の一人が14時間のフライトに乗った。電子ブックリーダーを14時間手に持たなければならなかったが、かれは電子ブックリーダーのスタンドを買う時間が無かった。かれはインターネットで３ＤプリントサービスのサイトThingiverse.comを見つけ、折り畳み式のスタンドをダウンロードし、45分間でそれを印刷し、14時間のフライトに使用することができた。

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