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長良の落陽。

DCモーターとは何か、その原理と構造・用途

DCモーターとは、直流電源で動くモーターのことです。おもに小型のモーターに使用され、電池などをつなぐだけで回転するため、制御性や効率が優れています。
<DCモーターの構成>
DCモーターは、磁石と導体で構成されています。磁石を構成する界磁は、巻線による電磁石と永久磁石の2種類がありますが、永久磁石(PM)が使われることが多いです。
また、トルクを発生する導体部分を、電機子と呼び、DCモーターではローター(回転子)が電機子となります。そこに施されている巻線(コイル)は、電機子巻線と呼びます。
DCモーターには、整流のための機構が不可欠であり、ローターには整流子が、直流電源回路にはブラシが設置されています。
<DCモーターの構造>
DCモーターの構造は、磁石のN極とS極がそれぞれ対向するように配置され、固定されています。両極の間に回転可能な電磁石が配置され、電磁石のN極とS極の電極は円弧状になっています。
その電極と接するようにブラシが固定され、ブラシに接続された直流電源から電圧が電磁石に印加されます。ブラシは電磁石のN、S極の電極のちょうど中間の隙間に位置し、電磁石には通電されません。
しかし電磁石の慣性により、電磁石は回転し続けます。それにより、ブラシは今までとは反対の電極と接触し、電磁石に流れる電流が逆となり、電磁石のS極とN極とが入れ替わります。
すると、永久磁石と電磁石のS極同士が非常に近づいた状態となり、反発し合う結果、電磁石は更に時計方向とは反対方向に回転します。
以上の一連の動作を繰り返すことにより、モーターは回転し続けます。
<DCモーターの用途>
おもちゃ、電動歯ブラシ、シェーバー、小型扇風機など

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金属3Dプリンターとは?

金属3Dプリンターとは、パソコンなどで制作した3Dデータをもとに、設計したデータの形に金属を使って造形していく装置のことです。制作した3Dデータからスライスデータを作成し、一層ずつ金属材料を積み重ね、これを繰り返して対象物を造形していく仕組みです。
3Dプリンターには、金属を造形する「金属3Dプリンター」と、プラスチックなどの樹脂を造形する「樹脂3Dプリンター」があります。通常の3Dプリンター(樹脂3Dプリンター)は樹脂を用いるのに対して、チタンやアルミニウム、ステンレスなどの金属を使うものが、金属3Dプリンターです。
樹脂3Dプリンターのほうが歴史は古く、熱源となるレーザーの出力が高くできるようになったことで、約20年前から金属の造形も可能でした。しかし、当時はまだ金属を完全に溶かすことはできず、金属の粉末同士が表面で結合する「焼結状態」での造形でした。
比較的融点が低いといわれる金属であるアルミニウムでも、600度以上で溶かす必要があります。そのため、金属3Dプリンターの装置価格は約8,000万円から、高いものでは2億円以上 と非常に高額で、ほとんどのものは工業用です。これに対して樹脂3Dプリンターは、比較的安価な個人用のものも販売されています。
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3Dプリンターのデータ作成後の一連の流れ

データ変換する
3DCADもしくは3DCGソフトで作成したファイル形式を3Dプリンターに対応しているファイル形式に変換する必要があります。3Dプリンター用のファイル形式はいくつか種類がありますが、「STLファイル」に変換されることが多いです。
どのファイル形式にすればいいのかわからない場合は、STLファイルで変換しておけば問題はありません。
ほとんどのCADソフトは、STLファイルで保存することができますが、ファイル形式に対応していない場合は別途ソフトウェアを用意して、ファイルを変換する必要があります。
スライサーソフトを使ってGコードに変換する
3DCADや3DCGで作成したデータのままでは、3Dプリンターで出力することができません。
3Dプリンターで出力するためには、3Dプリンターが読み取れるファイル形式に変換する必要があります。
そのため、STLデータからGコードと呼ばれるファイル形式に変換していくのですが、その変換作業はスライサーソフトを活用します。スライサーソフトでは、造形物の充填率や積層の高さ、ノズルの移動速度などを設定することで、Gコードが生成されます。
Gコードが生成されるというのは、何を意味するのかというと、STLデータをもとにどのようにノズルを動かして、積層していくのか、その手順を示したものです。
このGコードはプログラミング言語なので直接編集することもできますが、プログラミングがわからない人はスライサーソフトを使って、Gコードを生成した方が上手くいくでしょう。
Gコードが完成したら、このデータをもとに3Dプリンターで造形物を出力することができます。
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金属3Dプリンターとは

金属3Dプリンターとは、金属製の材料を使って、3DCADや3DCGでモデリングした3Dデータを造形する装置のことを指します。
3Dプリンターは、一般的にPLAやABSなどの樹脂から造形するタイプが多くラインナップされています。現在、樹脂素材を対象とした3Dプリンターは低価格のモデルも多くなり、導入している企業が増えつつあります。
一方で、金属3Dプリンターはチタン・アルミニウム・ステンレスなどの金属材料を用いて造形するタイプです。樹脂用の3Dプリンターに比べて、本体価格やランニングコストが高く、機械も大型なモデルが多いので、まだ導入している企業が少ないのが現状です。
3Dプリンターの基本的な仕組みとしては、専用のソフトで断面をスライスした3Dデータを作成し、1層ごとに金属材料を積み重ねる作業を繰り返し行うことで、3Dデータの製品を造形します。機械の種類により、細かな造形の方法に違いはあるものの、金属3Dプリンターも上記と同様の仕組みで造形を行います。金属3Dプリンターの代表的な造形方法は、以下の4つが挙げられます。
パウダーベッド方式:敷き詰めた金属粉末にレーザーを照射して固める方式
指向性エネルギー堆積方式:金属粉末の噴出とレーザーの照射を同時に行い固めていく方式
熱溶解積層方式:溶かした材料を押し出して積み重ねていく方式
バインダージェット方式:敷き詰めた金属粉末にバインダーを吹きつけて固める方式
 
このなかでもパウダーベッド方式は、金属3Dプリンターのなかでも採用されている機種が多い造形方法です。
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3Dプリンターの種類と特徴

▼熱溶解積層方式(FFF/FDM方式)
■特徴:
ノズルから溶けた樹脂を押し出しながら積層する方式。
本体価格、材料価格ともに安価で、ランニングコストも含めるとコストパフォーマンスに優れています。
使える材料の幅も多く、他の機種に比べ手間が少なく簡単に使えるため、一般ユーザー・企業ともにとても人気な方式です。
■メリット:
コストパフォーマンスが良い。簡単かつ安全に利用出来る。家庭用として使われている。オンラインショップなどで入手しやすい。
■材料:
熱可塑性樹脂
※プラスチック(PLAやABSといった定番の材料から、カーボン等の金属を含んだ樹脂など特殊材料まで多岐に渡ります)
▼光造形方式(SLA方式・DLP方式など)
■特徴:
レジン(液体状の樹脂)に光(紫外線)を当てることで液体を徐々に固め、立体物を造形していきます。
上から下へ固めていき段々と造形物が吊るされていくような造形方式のため、大きな作品を作るのにはあまり向いていないという特徴もあります。
小さいものを精度よく造形できるため、フィギアづくりやジュエリーを本格的に仕上げたい方におすすめの方式です。
熱溶解積層方式に比べると価格は上がりますが、一般ユーザーの方でも使っている方は多く人気な方式となっています。
■メリット:
小さいものを精密に作ることができる。積層の跡が見えないくらい緻密で精度の高い造形物が作れる。家庭用としても使われている。オンラインショップなどで入手しやすい。
■材料:
レジン(光硬化レジン)
▼粉末焼結方式(SLS方式)
■特徴:
パウダー状の材料にレーザーで焼結することで材料を固め造形物を作り上げます。
敷かれているパウダーを焼き固め層を作ったら、その上にパウダーが敷かれまた固め…の繰り返しです。
企業様の用途としては、試作品や部品等の最終製品、鋳型づくりのために使われています。
価格は高価となり、また本体サイズが大きく、付帯設備も併せて必要となります。
■メリット:
粉を固めるためサポート材が不要となり、サポート除去作業が不要。データの再現性(造形物の正確さ)や耐久性が高い。
金属パウダーを使用することで金属の3Dプリントが可能で、造形物は「最終製品」として様々な用途で使用可能。
■材料:
ナイロン、セラミック、金属など様々
▼インクジェット方式
■特徴:
液体状の樹脂をインクジェットヘッドから噴射し、ローラーで表面を平らにし、
紫外線で硬化させるという方式です。
■メリット:
フルカラーの造形物が作れる。また、印刷速度が早く、材料により硬度を選べるのも特徴です。
■材料:
光硬化樹脂、ワックス
▼粉末固着方式(バインダージェット方式)
■特徴:
パウダー状の材料を薄く敷き、材料へプリントヘッドから液体状の接着剤を吹き当て固めていく方式です。
粉末焼結方式は焼いてパウダーを固めていくのに対し、
こちらは接着剤を吹き当てることで一層ずつ固めていくという工程を繰り返します。
更にその接着剤に色を付けることで綺麗に色を付けることができます。
粉末焼結方式と同様、パウダー状の材料を用いるため、付帯設備が必要となります。
■メリット:
フルカラー造形ができる。サポート材が不要。造形スピードが速い。
■材料:
主にパウダー状の石膏。機種により砂糖やプラスチックの粉末も使用される。
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