長良の落陽。

機械に人間のような知能を持たせる、という発想自体は昔からありました。ではなぜ今になって人工知能が注目を集めているのでしょうか？その理由の1つが「ニューラルネットワーク」という分野の進歩です。

ニューラルネットワークは直訳すると神経回路。神経回路というのは脳内にある神経細胞のつながりを意味する言葉であり、「ニューラルネットワークが進歩した」ということは「脳の働きを再現する技術が進歩した」と言い換えることができます。

ステッピングモーター 電磁ブレーキ付き

機械が脳を再現できるようになるとどんなことができるのか、1つ例を挙げて説明します。

あなたの目の前に犬の写真があったとしましょう。この写真に写っている犬がよほど珍しい犬種でもない限り、あなたの知らない犬種であったとしても犬だと判断できるはずです。もちろん犬が正面を向いていても横を向いていても、被写体が犬であることを見分けるためには何の障害にもなりません。従来のコンピュータではこれができませんでした。なぜならコンピュータはカメラから取り入れた画像を小さな点の集まりとしか捉えられないから。人間のように「足が4本ある」「尻尾がある」といった抽象的な特徴を捉えることができないため、あらかじめ記録されている画像と少しでも違うと被写体が犬であるかどうかさえ判断できないのです。しかし人工知能技術の発展により、コンピュータがあたかも人間の脳内で行っているのと同じように抽象的なパターンを読み取ることができるようになりました。iPhoneXに実装された顔認証システム「FaceID」、車の運転時に歩行者や障害物を検知する機能など私たちの身近でもすでにこの技術が導入され始めています。

バイポーラステッピングモーター

もちろん人工知能ができるのは画像認識だけではありません。患者の症状から病気を診断したり、まるで人間と話しているかのように言葉でコミュニケーションをとったりなど、これまで人間でなければできないと思われてきたことが人工知能によって機械でも可能になり始めています。機械が人間の代わりになるかもしれないとなれば注目されないわけがありません。

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ロボットの駆動方式としては、一般的に「電動駆動」「油圧駆動」があります。

前述のとおり、ロボットを油圧駆動させるための動力源は油圧アクチュエータと呼ばれています。油圧駆動と電動駆動を比べたときのメリット・デメリットを解説します。

油圧アクチュエータのメリットは大きく2つあります。

ステッピングモーターバイポーラ 平行軸ギアボックス

1つ目のメリットは、大きな力が出せることです。建設機械やプレス機に使われるほど、大きな力を出すことができます。

2つ目のメリットは、衝撃に強いことです。油圧アクチュエータ作動油）は、多少の圧縮性があり、外からの衝撃をやわらげることができます。また、油圧回路には安全弁が設置されており、ここから作動油を逃がすことで衝撃から油圧アクチュエータを守ることができます。

ユニポーラステッピングモーター 

油圧アクチュエータのデメリットは大きく2つあります。

1つ目のデメリットは、周辺機器が大きいことです。直線運動する油圧シリンダ、作動油に圧力をかけるポンプや作動油をためておくタンクなどの機器が必要です。よって、機器全体としてのサイズは大きくなってしまいます。

2つ目のデメリットは、油漏れのリスクがあることです。油圧アクチュエータには高圧の作動油が流れています。油漏れによって周囲環境の汚染や、火災などのリスクが発生します。

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今では、金属・カーボン材料・スーパーエンプラ等の様々な素材を3Dプリンターで造形することが可能になってきました。失敗しない3Dプリンティングのためには、用途に応じて、造形物の形状はもちろんのこと、素材も適切なものを考慮する必要があります。金属用3Dプリンターの話をする前に、まずは主要な素材の大分類から見ていきましょう。

2種類以上の材料を組み合わせた複合材料のことをコンポジットと呼び、3Dプリンターの業界においては、主にプラスチックとファイバー（繊維）材を複合したFRP材（繊維強化プラスチック材）を指します。炭素繊維やガラス繊維、ケブラー繊維などを混ぜ込むことで繊維材が材料を強化し、プラスチック単体では実現できない高強度を実現します。コンポジットによる3Dプリント造形物は、プラスチックの加工の容易さや軽さを保ちつつ、金属にも劣らない強度を発揮します。

ただし、主材料がプラスチックなので、高熱や表面の摩擦に弱い点はプラスチックと同じです。その点を考慮した上できちんと活用すれば、プラスチックより強く、金属より軽く安いという、競争力の高い部品の製造が可能であり、すでに多くの産業分野で活用されています。

ユニポーラステッピングモータ

最も頻繁に使われる材料の一つは、プラスチック素材です。個人用・家庭用の3Dプリンターで扱える材料は、基本的にプラスチックに分類されるため、目にする機会は多いでしょう。多用される最大の理由は、加工が設備が簡便な点でしょう。プラスチック素材にはPLA・ナイロン・ABSなど多くの種類が存在しますが、ほとんどが加熱で柔らかくなる熱可塑性を持っていたり、光によって硬化する光硬化樹脂です。また、他の素材と比較して安価なものが多いです。

一方で、加熱で柔らかくなるという特性は、耐熱性の観点からすれば弱みでもあり、高温環境で使用する場合には注意が必要です。工業用パーツとしては使いづらくもあります。スーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるような、耐久・耐熱・耐薬品性に優れたプラスチック素材も存在しますが、取り扱い可能な3Dプリンターは相応に高価です。

一体型ステッピングモータ 

3つ目の大分類として、本記事のメイントピックである金属素材について紹介します。一般的に金属は、プラスチックより高い耐熱性と、高強度・高剛性、さらに耐薬品性や電気伝導性を持つ材料です。この特徴から、金属3Dプリンターはより厳しい条件下で活用することができます。

その一方で、金属はプラスチックより安定性が高く、変形させるのに手間がかかるため、加工には大掛かりな設備が要求されます。素材や造形物に重量があるほか、電機や換気の設備が工業水準で求められ、3Dプリンター機器そのものだけではなく、設備側も一定以上の規模が必要になります。管理が必要な薬品を使用する場合もあり、プラスチック材料対象の3Dプリンターほど気軽に導入はできません。

しかし、3Dプリンターを用いる効果は多数あるため、やみくもに導入するのではなく、効果的な場面を見極め、適切な場面で運用するのが望ましいです。詳細は以下でご紹介していきます。

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造形方式は造形したい物や操作する人のスキルで選ぶようにしましょう。3Dプリンターの代表的な造形方式には熱溶解積層方式と光造形方式があります。

PM型リニアステッピングモータ

熱溶解積層方式は、加熱されたノズルの中で材料を溶かして吐出しながら材料を層上に積み上げる方式です。他の造形方式と比較して取り扱いやすいため、3Dプリンター初心者におすすめです。

光造形方式は、プラットフォームに液体の樹脂を浸して、樹脂部分に紫外線を当てて硬化させて層を作っていきます。液体樹脂を使用しているため高精度な造形が可能です。そのため、フィギュアやアクセサリーなど細かな造形物を作成したい方におすすめです。

3Dプリンターに用いられるフィラメントは大きく7種類に分類できます。

プラスチック

レジン

ゴム

ナイロン

石膏

木材

金属

各フィラメントによって特徴は異なるため、作成したい造形物に合ったものを選ぶようにしましょう。

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強度を保ちながら軽量化が必要な部品は、複雑な形状になる場合が多々あります。

しかし、自動車部品の製造で用いられることの多い鋳造や切削加工、板金加工では、製造が困難です。

一体成型できる金属3Dプリンタがあれば、複雑な形状を実現できる可能性があります。

また、従来は製造方法に対する向き不向きの関係で採用が難しかった材料でも、

金属3Dプリンタによる造形であれば採用できる可能性があります。

金属3Dプリンタであれば、形状に加えて、材料面でも強度と軽量化を実現可能です。

バイポーラステッピングモーター

自動車業界では今後EVが普及していくことが想定されています。

バッテリーを積んだEVは従来と同等の車両サイズでも重量が大きくなる傾向です。

車両重量の増加は燃費や航続距離に直接影響があるため、部品の軽量化による車両本体を軽量化することは燃費向上に繋がります。

切削加工や放電加工をする場合は、製造する部品ごとに制御プログラムが必要です。

大量生産の場合、製品1個あたりに換算した制御プログラムの作成コストは、それほど大きくありません。

しかし、多品種少量生産の場合には、製品1個あたりの作成コストが大量生産の場合に比べて大きくなり、製品コストに大きな影響を与えます。

また品種ごとに制御プログラムを準備する必要があり、作成工数もかかります。

金属3Dプリンタであれば、3DCADのデータのみで製造可能です。

別で複雑な制御プログラムを準備する必要がなくなるため、製造に至るまでの手間とコストを大幅に削減可能です。

中空シャフトステッピングモーター

金属3Dプリンタを採用することで、自動車部品や製造設備に新たな付加価値を与えることが可能です。

例えば、一体成型であればコストを抑えつつ金型に冷却路を確保できます。

同様に、金属部品の内部にケーブルやその他経路などを一度に成形できるため、従来は難しかった形状に経路を構築することが可能です。

配線を部品内部に通すことで配線の断線や劣化を抑制できます。

また、新たに構築した経路に冷却水を流し作動時に発熱しやすい部品を冷却することで、作動可能時間を延長することが可能です。

このように、付加価値の向上や新たな技術開発に繋がる可能性があります。

このように、従来は複数の部品を組み合わせることで実現していた機能や製造の都合で実現できなかった機能を、

3D金属プリンタを用いることで実現できる点は、大きなメリットの一つです。

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