光造形3Dプリンターのデメリット

光造形3Dプリンターは多くのメリットを有している一方で、いくつかのデメリットもあります。

造形後の処理に手間がかかる
光造形3Dプリンターでできた造形物は、いくつかの後処理が必要となります。

プリントしてすぐの造形物は、余分なレジンが付着しているため、基本的に無水エタノールで洗浄を行わなくてはなりません。洗浄する理由は、硬化していないレジンは素手で触ると、皮膚が荒れてしまったり、かぶれてしまったりと危険を伴うためです。

プリントした造形物が硬化不良の場合は、別途紫外線を照射できる機器を使って、二次硬化する必要もあります。

デュアルシャフトユニポーラ

また、多くの造形物は、造形が崩れ落ちてしまわないためにも、支えや土台となる「サポート材」を必要とします。サポート材は洗浄などの処理をしたあと、不要となるため除去しなければなりません。造形物が複雑な構造であるほど、サポート材が多く付く傾向にあるので、除去するには時間がかかってしまいます。

光造形3Dプリントした製品は太陽光に弱い
光造形3Dプリントされた製品は、太陽光に弱いため注意が必要です。

エクスターナルリニアステッピングモータ 

光造形の材料として用いるレジンは、紫外線を照射することで、硬化させています。紫外線を含む太陽光が長時間当たると、変形や破損といったトラブルを招きます。

そのため、光造形3Dプリンターで作った造形物は、屋外で使用するなどの用途では使わないようにしてください。

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ロボット産業の展望と必要な技術革新

ここまで、ロボット市場の現状と、ロボットが求められる背景について見てきました。とりわけ製造現場では、今後もロボットの活躍が大いに期待されることでしょう。

そこで、次に、産業用ロボットが普及することで製造現場が具体的にどのように変化していくのか、その際に製造メーカには何が求められるのかを解説します。

(1)産業用ロボット普及による製造現場への変化
産業用ロボットの普及が進めば、生産活動や搬送作業などの業務はオートメーション化され、人手がかからなくなるでしょう。機械学習のサポートを行いつつ、システム異常などを改善していくことで、自動化の精度も向上します。

5G技術の導入などにより、生産活動の自動化がさらに進めば、自宅やサテライトオフィスなどの遠隔地から、生産の運用管理を行うことも不可能ではありません。また、新しい価値を提供する製品の研究開発に力を入れることもできます。

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(2)製造メーカが今後意識しておくべき技術革新
ロボット産業においてもグローバル競争が激化している状況であり、生産システムの低コスト化は言うまでもなく重要です。ただ、価格競争を前提とした対策では先細りも懸念されるため、技術力でのグローバルトップを走ることを前提に、トータルコストに着目した生産システムの開発と普及が必要となります。

そのためには、具体的に以下のような要素技術の革新に注力しなければなりません。

①機械要素
機械要素においてロボットの駆動に関わるサーボモータは、動力伝達損失や各種部品の摩耗損失などのさまざまな要因によって、エネルギー伝達率が60から70%に止まっています。引き続き個別の機械要素の改善は必要ですが、システム全体のエネルギー効率向上が必要です。

また、駆動部には潤滑オイルが使用されており、クリーンルーム内でのロボット使用普及拡大のためには、オイルレスやシーリング機構の発展なども欠かせません。

②情報・電力伝達要素
ロボットの動力源は電力であり、送電用ケーブルが使用されています。また、電子制御が必要な機器については、信号伝達系のケーブルも同時接続されています。ケーブルを使用するが故に、産業用ロボットの設置に制約が生まれてもいます。

ロボットのケーブル接続技術も各社にとって強みを出せる領域であり、無線での送電や信号送受信が実現できれば、更なる普及が期待できるでしょう。

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③材料要素
機械要素や情報・電力伝達要素の技術革新には、材料面からのアプローチも重要です。各メーカが材料レベルからの研究開発を行うのは困難ですが、材料メーカとの協業によってこれまでの課題をクリアできる可能性もあります。

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業務用3Dプリンターを選ぶ上で重要な5つのポイント

さて、では具体的にどの業務用3Dプリンターを購入すべきなのか。その上で重要なポイントがいくつかある。

①用途

まず何より、どのような用途で3Dプリンターを用いるのかを明確にしておく必要がある。たとえば試作品の出力が目的だとしても、形状確認程度の簡易的な試作品でよいのか、あるいは強度などの機能的な部分の確認も含む本格的な試作品が良いのか、など目的に応じて様々ある。

基本的に3Dプリンターは1台導入するだけでも汎用性は非常に高いのだが、第一義的な用途がぼやけてしまうと、導入する3Dプリンターの費用対効果を計算することも難しい。そのため、まずは用途をはっきりとした上で、それに最適な機種を選ぶ必要がある。

②サイズ、精度、強度、カラー

用途が定まったなら、それに合わせて3Dプリンターに求める造形サイズや造形精度、強度、フルカラーが必要かどうか、などが決まってくる。その際、優先順位を明確にしておくことも肝心だ。もちろん、全てをパーフェクトに備えている機種があればそれに越したことはないが、そうした機種は価格も高くなる傾向にある。まず絶対に欠かせないポイントが何なのかを絞り出しておけば、微妙な選択において混乱を回避することにも繋がるだろう。

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③造形方式

これは②とも重なるが、求める仕様に対して、それにふさわしい造形方式を検討する必要がある。造形方式にはそれぞれ得意分野、不得意分野があるため、何をもっとも重要視するか(精度なのか、速度なのか、強度なのか、など)によって、取るべき選択肢が変わってくる。

ここでは簡単に現在の主な造形方式を紹介する。

VPP(液槽光重合)
一般に光造形方式と呼ばれる方式で、光硬化性樹脂に紫外線レーザー光などを照射することで必要な部分を硬化させ、積層させる。照射位置を特定してUVを当てていくSLA方式や広範囲に一度にUVを照射するDLO方式などがある。特徴は滑らかさと高精度な造形。価格帯としては大型のものでは1000万円を超えるものもあるが小型業務用であれば100万円前後のものもある。

MEX(材料押出方式)
一般に熱溶解積層方式と呼ばれる方式で、糸状にした樹脂(フィラメント)を加熱し溶解した上でノズルから押し出して積層していく。最も一般的な方式とされてきたが、現在は他の方式の機種が増え、また低価格化したことで、様々な選択肢の一つになりつつある。近年では金属と樹脂を混合したフィラメントもあり、造形後に樹脂を除去することで金属のオブジェを造形することができる機種などもある。

BJT(バインダージェット方式)
これは粉末状の材料に対してバインダー(結合材)を噴射して固化させる造形方式。樹脂、金属、砂、石膏などの様々な材料を用いることができる。また、材料が樹脂や石膏の場合、バインダーを着色することでフルカラー造形も可能。

DED(指向性エネルギー堆積)
この方式はレーザーデポジションとも呼ばれ、粉末、あるいはフィラメント状の金属をレーザーや電子ビームなどで溶融することで積層していく方式。主に金属の造形に用いられる。価格は小型で低価格なものでも3000万円ほど。一般には1億円を超えるものが多い。

PBF(粉末床融結合法)
この方式は敷き詰められた粉末材料の指示した部分をレーザーやビーームによって焼結して造形する方式。金属や樹脂、セラミックなどの材料を使うことができ、価格帯は数千万円から1億円越えまで。樹脂のみに対応した機種であれば500万円程度のものも。

MJT(材料噴射方式)
この方式はノズルからモデル材、サポート材を噴射し、紫外線の照射や加熱、冷却によって硬化する方式。構造が複雑な造形物を高い精度で出力することができ、またフルカラーにも対応している。価格帯は幅広く、サイズの小さいものであれば200万円程度。ただ大きなサイズになると1億円を超えるものもある。

SHL(シート積層方式)
この方式は、薄いシート状の材料を一層ずつ断面形状に合わせた輪郭線で切断し、接合と積層を繰り返していくことで造形していく。樹脂や紙、金属などの材料を用いることができる。硬化に熱や紫外線を用いないことが特徴。

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④材料

上の方式と同様に用途や仕様に沿った材料を考える必要がある。つまり、③と④は同時に検討する必要があるのだが、材料に関しては、廃棄などに特別な手続きが必要な材料、あるいは特別な環境整備が必要なものもあるため、そうした点も加味して考慮したほうがいい。

大まかな材料のバリエーションとしては樹脂、金属、砂、石膏がある。

一般的に言われる特徴として樹脂のみに対応した3Dプリンターは安価である傾向があるが、一方で樹脂は強度や耐久性が低いという問題がある。金属は対応している3Dプリンターが数千万円から1億円以上と非常に高価で、付帯設備も必要になる場合が多いが、強度や耐久性は高く、製造業においては汎用性が非常に高い。石膏はフルカラー対応するかによって値段が大幅に変わる。砂は一般に鋳造用の金型の出力に用いられる。

⑤予算に合わせて機種を絞り込む

用途を定め、それに見合った性能、出力方式、材料が分かったら、その条件に見合った機種を選定することにになる。もちろん予算も重要なポイントだ。必ずしも予算いっぱいに高額な機種を購入する必要もない。あるいは求める条件だとどの機種も予算オーバーになってしまうという場合、少し遡って代替案を探ったり、先述したものづくり補助金などの利用を検討してみるのが良いだろう。

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ギヤードモーターの種類--軸配置と軸種類による分類

ギヤードモーターを軸配置により分類をすると、平行軸タイプと直交軸タイプに分かれます。
平行軸タイプは、モータの軸方向と減速機部の軸(出力軸)が平行(同じ向き)になっています。

中空ステッピングモータ

最も一般的なギヤードモーターのひとつで、現在も多くの装置に使われています。

直交軸タイプは、モータの軸方向と減速機部の軸(出力軸)が直交・直角になっています。
負荷軸に対してモータを直角に配置できますので、省スペース化が図れます。

スイッチング電源

負荷を直接ギヤードモーターに取り付けることが出来るため、他の取付け部品の部品点数削減が可能です。
これにより、組み付け工数やメンテナンス工数も大幅に削減できるので、装置・製品のコストダウンに貢献できます。

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モータの用語を知ろう! 電気関係

電流の実効値と定格電流
○電流と実効値
電流とは、電子などの電荷の移動です。電流には、強さが時間的に変わらない定常電流と、変化する非定常電流とがあり、交流電流は非定常電流です。
交流の電流値は、正弦波のピーク(最大値)ではなく、瞬間値の2乗の平均値とした実効値です。この実効値を用いると、交流1A(アンペア)による発熱量と、直流1A(アンペア)の発熱量とが同一になります。

○定格電流
三相交流では、3本の電線で電力会社から誘導モータに電力が供給されます。電流の値は、各線に流れる線電流の実効値で、正常状態で3本とも同一の値です。誘導モータの定格電流は、そのモータ用の定格電圧および定格周波数で、定格出力の運転をする際の電流値です。

○定格電流と力率・効率
三相交流では、交流電圧に対して交流電流が少し遅れます。この遅れの成分を力率といい、入力電力のエネルギーに力率を掛けた値が有効エネルギーになります。
そして、この有効エネルギーが損失にならない比率を、効率といいます。電力(定格電圧及び定格電流)と、トルク(定格出力)との関係は、力率と効率とを用いて、次式となります。

定格出力=√3×定格電圧×定格電流×力率×効率

力率・効率は、定格出力の付近で最も高くなるように設計されていることが多いです。

電圧の実効値と定格電圧
○電圧と送電
電圧とは、2点間の電位の差であり、通常、電力の使用箇所に与えられる発電所による電位と、電位0との差です。電力のロスを小さくするために、発電所から変電所までは、三相で50万V(ボルト)などの超高電圧で送られています。

双轴ギアボックスステッピングモーター

○低圧と高圧
大規模工場などでは、3,000V, 3,300V, 6,000V, 6,600Vの三相高圧電圧を使用します。中小規模の工場や事業所では、200V, 220V, 400V, 440Vの三相低圧電圧を使用します。これら三相の電力については、かご形や巻き線型の誘導モータが使用されています。
単相の低圧では、100V, 200Vの低電圧で、単相かご形の誘導モータが使用されています。
交流電圧の周波数は、50Hzと60Hzとがあります。

○交流電圧の実効値
交流電圧は、電流と同様、正弦波の最大値ではなく、瞬間値の2乗の平均値である実効値を使います。
また、三相の電圧には、各相ごとの電圧である相電圧と、スター型に接続した際の端子間の電圧である線間電圧とがあります。相電圧を√3倍すると線間電圧になります。

○定格電圧
誘導モータの定格電圧は、三相交流の線間電圧の実効値です。
モータの配電用のケーブルによって、電圧降下が生じてモータの特性を変化させてしまう可能性があります。太めのケーブルを使うと、電圧降下が小さくなります。

始動電流と最大電流値
○始動電流
かご形誘導モータは、じか入れ始動(全電圧始動)をすると、始動時に定格電流の5倍から7倍の始動電流が流れます。始動電流は、定格周波数、定格電圧でモータを回転させ始めるときに固定子のコイルに流入する線電流です。
誘導モータでは始動電流が大きくなるため、始動方式を工夫して始動電圧を低くし、始動電流を小さくすることが行われています。
始動電流が小さくなると、始動トルクも小さくなるため、始動トルクを大きく必要とする際には、巻き線型誘導モータを選定します。

○始動電流と最大電流値
スターデルタ始動方式や、一次抵抗を使用しての始動方式を使用して始動電流を小さくしても、始動時の電流が運転での最大電流となります。なお、インバータ制御による始動では、始動電流を運転中の電流よりも小さく制御することもできます。

ブラシレスDCモータ

○最大電流値
誘導モータを遮断器で保護する場合、始動電流で遮断(トリップ)することのないように、始動電流に応じた最大電流値を定めます。
遮断器(ブレーカ)でトリップをしない最大電流値を、許容電流値といいます。各社の技術資料やマニュアルなどに、遮断器の許容電流値の選定について、誘導モータの定格電流の何倍にすると良いか、始動方式との関係での情報があります。許容電流値(瞬時引き外し電流値)は、例えば、じか入れ始動で定格電流値の約12倍、オープン型のスターデルタ始動で約17倍です。

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協働ロボット適用事例

協働ロボットがどのような工場や生産現場で使用されているのか、事例をご紹介します。

装置内・装置間搬送
●人と同じ空間内で部品搬送が可能

●装置間のスペースを見つけて必要な場所に設置することができる

ブラシレスDCモータ

部品整列・箱詰め
●安定した作業による精度と品質の向上につながる

●生産状況によりロボットの配置を変更可能

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組立て
●作業員と協働で作業を行うことが可能

●限られた工場のスペースにも設置可能

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製造業における3Dプリンターの活用例

活用例①:試作の繰り返しができる
3Dプリンターを活用すれば、試作の繰り返しが可能です。

そもそも3Dプリンターは造形データさえ作成すれば、手間をかけずに造形することができます。試しに造形した製品を使ってみて問題があれば、データを微調整して再度造形をすればいいだけなので、何度も試作を繰り返せるのです。

3Dプリンターを複数台所有している場合は、同時に微妙に異なる試作品を造形して試作品同士を比較することもできます。

以上の理由から、試作品の繰り返しが容易になるため、製品の完成度を高めたい場合には3Dプリンターの導入がおすすめです。

活用例②:生産を効率化できる
3Dプリンターを活用することで、生産の効率化も実現できます。

具体的には、製造コストやタイムロスといった問題の解消にもつながります。製造業においてグローバル化が進んだ近年は、多品種小ロット生産が主流になりつつあります。在庫の量が少ないメリットはありますが、生産効率の悪化や開発コストの増加といったデメリットもあるのが現状です。

しかし、3Dプリンターがあれば小ロットの製品を型なしで作ることができるので、製造コストを大幅に削減することができます。3Dプリンターは複雑な形状の造形物にも対応しているので、物によっては組み立てが不要で時間の削減にもつながります。

よって、多品種小ロット生産を求められる場合にも、生産を効率化できる3Dプリンターの導入を検討してみましょう。

活用例③:治具製作を内製化する
3Dプリンターを活用すれば、治具製作の内製化も可能です。

製造現場における治具は目的や用途によって異なり、「ある部品を作るために一度しか使わない」というものも存在します。こうした治具を外注すると時間もコストもかかることから、導入しにくいのが現状です。

しかし、3Dプリンターならデータさえ保管していれば単品での製造も容易なので、大ロットでの製造に向いている外注よりも、3Dプリンターを使った内製の方が製造効率が向上します。あるいは、3Dプリンターでも対応できない複雑な形状の治具は外注する、といった対応も選択できます。

したがって、治具製作を内製化して生産効率を上げたい場合にも、3Dプリンターの導入がおすすめです。

では、製造現場に3Dプリンターを導入するとどんなメリットがあるのか、次で詳しく見ていきましょう。

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