金属3Dプリンタ使用時に必要なもの

金属3Dプリンタを活用して部品を造形する場合、最低限でも以下のアイテムが必要です。

● 3Dプリンタ本体
　 　材料をセッティングし、造形を行うのに用いられます。

● パソコン
　　3Dプリンタ本体や3DCADソフト、3Dスキャナなど、機器類やソフト類の操作、データの加工などに使用します。

ユニポーラステッピングモータ

● 材料
　 　部品の造形に必要な材料です。

● 3DCADソフトや3Dスキャナ
　 　部品の設計図となる3Dデータの作成や編集、変換などの操作に必要です。
　　 3Dスキャナは、現物から3Dデータを抽出する場合に使用します。

ステッピングモーター高精度遊星ギアボックス

● STL検証ツール
　　 STLデータの整合性を事前チェックする際に使用されます。

● スライスソフト
　 　STL形式の3Dデータを造形ツールパスデータに変換する際に使用されます。

● サポート材が必要な場合は、サポート材を取り除く装置などの付帯設備
　 　サポート材の除去に使用される装置など、付帯設備も必要です。

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3Dプリンタによる量産のメリット

3Dプリンタによる量産にはさまざまなメリットがあります。ここでは、具体的なメリットを解説します。

製品開発の効率が上がる
3Dプリンタは製品の試作にも活用でき、試作納期短縮にも効果を発揮します。
3Dプリンタで試作したうえで量産展開に移行すれば、開発の効率も大幅に上がります。
また、試作時の製造工程と量産時の製造工程はどちらも同じであり、試作時と同じクオリティの製品を安定的に量産できます。
ただし、あらかじめ量産化を考慮して製品を設計する必要があります。

ステッピングモーター 平行軸ギアボックス

製作納期を短縮できる
3Dプリンタによる量産を実現できれば、部品の数も大幅に減らすことが可能となります。
そのため、製品ができあがるまでの工程も短縮が可能です。
たとえば、従来の方法では800個以上の部品を組み合わせていた製品を3Dプリンタで製造したところ、
部品の数を12個に統合できたケースもあります。
3Dプリンタなら、製品の内部の形状が複雑な場合でも一体的に製造できるからです。統合部品であれば、接続部の検査も不要となります。
さまざまな形状の製品を効率的に製造できるため、納期短縮が可能になります。

加工法上の制約を受けにくい
従来は、一つの製品に含まれる各部品に合わせ、さまざまな加工法を使い分ける必要がありました。
鋳造や溶接、プレス加工、切削加工などをはじめとする幅広い加工法があるため、
設計の段階から加工法に配慮しなければなりません。
しかし、3Dプリンタによる量産なら加工法による制約を受けにくくなります。
従来は加工法ごとに品質や技術などを検討する必要がありましたが、3Dプリンタならそのような無駄な工程を削減できます。

ステッピングモーター電磁ブレーキ付き

コストを削減できる
3Dプリンタで製品を製造する場合、金型は不要です。よって、金型を造るためのコストがかからなくなります。
また、3Dプリンタの場合、設計のデータさえあれば必要なときに必要な分だけ製品の生産が可能です。
そのため、無駄のない生産体制を確立できます。従来コストダウンには一拠点での大量生産が主流でしたが、
他拠点でのオンデマンド生産体制でコストダウンを目指すことも可能となります。

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ステッピングドライバの特徴

いままで述べたことの繰り返しになりますが 
・モータの回転量（角度）は指令（入力パルス）に比例します 
＝＞モーションコントロールを使用します 
・始動・停止に対しての反応（レスポンス）がよい 
＝＞急激な始動・停止はステッピングモータ独特の脱調状態になるので注意が必要です 
・オープンループ制御のため制御が容易になりコストメリット大きい 
・構造的にシンプルなので高寿命、回転部と筐体間のベアリングの寿命で決まります。 
・停止時に（最大）トルクを出すことができるので 
＝＞垂直軸など停止時にもトルクが必要な装置に使用できる 
ただし、垂直軸の場合電源OFF時に注意が必要です。電源OFF時モータはトルクが発生しませんので重力によってメカが落下します。通常はモータ軸にブレーキを取り付けます、このブレーキは電源OFF時ブレーキが有効（ブレーキが動作する状態）ですのでブレーキを使う時はこの点に注意が必要です。 

PM型ステッピングモーター

＝＞ステピングドライバーの発熱に注意が必要 
＝＞ステッピングモータも同様に発熱に注意が必要
特に高速回転時発熱が顕著に発熱します。 ステピングモータはFANモータの様に常に回転を続けるという動作を行う時はモータの発熱に注意が必要です。一般的にモータ表面温度が100℃を超えない様に使用します。 
＝＞発熱を抑える方法について 
・モータ電流を抑える、発熱量は流れる電流（I）の2乗に比例しますので。 
電流（I）を1/2にすれば発熱量は1/4になります。 
トルクに余裕があれば、モータ電流を減らして発熱を抑えて下さい。 
・先程述べましたモータ停止時のパワーダウン機能を使用して停止時間を増やすなど の方法で発熱を抑えて下さい。 

ステッピングモーター高精度遊星ギアボックス

・使用方法で発熱を抑える事が出来ない時は強制空冷（FAN等）を行って下さい。 
通常の2相ステッピングモータは指令（入力パルス）単位の回転角度は基本角度が1.8°で すがステッピングドライバの制御で半分の0.9°の2つが選択出来ます。 
この基本角度を「フルステップ」　基本角度の半分を「ハーフステップ」と呼びます。 （但しメーカ様によっては呼び方が違う場合が有ります） ハーフステップ(0.9°)の方がモータの回転時の振動が少なくなります。 
さらにマイクロステップと呼ばれ基本角度(1.8°)の1/100　1/200　等にする方式もあり、より一層振動が抑えられます。 

＜マイクロステップを使用する際の注意＞ 
ステッピングモータの停止位置の精度がでるのは、基本角度の1.8°で使用しているときで す注意下さい、特にマイクロステップで1/100や1/200のような高分解数で使用した場合 停止位置は基本角度の1/100や1/200にはなりませんので、停止位置精度が必要な場合の マイクロステップ使用の際は停止位置に注意が必要です。マイクロステップを使用する際はステッピングモータの振動抑制やスムースな動きを主目的に使用することが多いです。

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小型ACモーターの速度制御について

ACモーターの速度制御には、ACスピードコントローラー(ACスピコン)を用います。ACスピードコントローラーとは、インダクションモーターやレバーシブルモーターに、速度検出用のレートジェネレータを組付けたもので、モーターの回転状況を確認します。実回転数と指令回転数を比較して、その比較結果をもちいてフィードバック制御を行うことで回転速度をコントロールします。

ステッピングモータ用ドライバ

また、ACモーターの速度を変える方法でインバータを用いる方法があります。この方法との違いは電源周波数を変化させてモーターへ速度をコントロールするインバーター回路は、オープンループ制御になる点です。それに対しACスピードコントローラーを用いる方法は、モーターの速度をフィードバックすることでクローズドループ制御になります。モーターの速度情報を制御に用いる構成上、回転速度が安定する特徴があります。

ステッピングモーター 高精度遊星ギアボックス

レシーブルモーターとは、モーター内に摩擦ブレーキ機構を持っているモーターです。摩擦の負荷を加えることで可逆特性をよくするために、ブレーキ機構が取り付けられており、短時間で頻繁に正逆運転を行う場合に適したモーターです。レートジェネレータとはモーターの後部に設置される速度検出用のセンサです。

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防爆モーターの原理

防爆モーターにはただ単に内部を密閉したり、隔離してるだけではありません。大まかに分類すると、その防爆モーターの構造の種類から3種類の防爆モーターが存在します。

まず、一つが安全増防爆型モーターです。略して安増（あんまし）とも呼ばれます。これらのモーターは点火源とならぬよう構造が工夫されており、危険な雰囲気の中でもそのまま使用する事が出来ます。

ステッピングモーター高精度遊星ギアボックス

その他にも、内圧防爆型と呼ばれ、内部に常に窒素や空気などの不活性ガスを注入（パージ）し続ける事で、内部に可燃性ガスなどが入らないように保護します。これにより内圧が常に周囲環境よりも常に高く、可燃性ガス内部に入る危険性がないので、危険な雰囲気でも内部に可燃性ガスなどが入らず問題無く使用できます。

ただし、この構造の場合はガスをパージする必要があるので、そのための設備が必要となります。

デジタルステッピングドライバ

最後に耐圧防爆型と呼ばれるものがあります。これはもし内部に可燃性ガスが侵入し、もし爆発が起こってもケースやカバーなどが損傷せずに、その爆発が点火源とならないような特殊な構造となっています。

これらのモーターの使い分けは簡単に決めていいわけではなく、その使用雰囲気で決定する必要があります。

危険性のある雰囲気であれば危険となる原因の可燃性ガスの発生する頻度、時間に応じてどのようなモーターを購入して使用するのかをを決定する必要があります。

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エアモーターの原理

エアモーターの原理は非常にシンプルで、内部にあるローターに空気を送り込むことで回転運動を生み出します。エアモーターの構造は、インレットとアウトレットを備えた本体部分と本体内部に設置されたローター部分からなります。

インレットから外部の空気を吸い込み、ローター部分に送り込むことで回転させます。ローターは、回転負荷の軸に取り付けられます。

DINレール電源

ローターが回転する原理は、空気の運動量保存則です。ローターに空気を送り込むと流入した空気は一方向に流れ、アウトレットから排出されます。この際に流入した空気の反作用力によって、ローターが回転します。

ブラシレスDCモータ（BLDC）

空気の供給圧力や排気圧力を調整することで、回転数やトルクを調整することが可能です。したがって、さまざまな用途に応じた設計が可能です。回転数の高速化が可能になる高圧エアモーターも開発されています。

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ACサーボモーターとステッピングモーターの使い分け

モーターは、種類も様々で用途や条件によって使い分けも必要ですが、産業用によく使われているモータとして、ACサーボモーターとステッピングモーターが挙げられます。どちらのモーターも高精度な位置決め制御が可能なモーターですが、構造や動作原理からそれぞれの特徴があります。

一体型イージーサーボモータ

ステッピングモーター
ステッピングモーターは、別名パルスモーターとも呼ばれ、パルス信号に応じたステップ角度ずつ動くモーターで、パルスの数によって回転角度が決まってくる為、正確な位置決めが可能です。回転速度は、パルス信号の速度に比例します。

小型で高トルクを発生するので、加速、応答性に優れており、起動と停止を頻繁に繰り返す動作が必要な用途に適しますが、デメリットとして以下が挙げられます。

ステップ角は最小でも回転角で0.72°程度 (1/5,000@1回転)
制御がオープンループで、脱調が起きると元の位置に戻らない

ステッピングモーター平行軸ギアボックス

ACサーボモーター
ACサーボモーターは、エンコーダと呼ばれる回転速度と回転位置を検出するエンコーダを搭載し、モータの回転制御にフィードバックすることで、正確な位置決めを行うことが可能です。エンコーダの性能にもよりますが、1/5,000回転@1回転以上の回転分解能を持つ機種も多くあります。

サーボモーターは、低速域から高速域まで、安定したトルク特性を持っているため、比較的長い距離を高速に動かす動作が必要な用途に適しています。

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