長良の落陽。

入力と出力の比率＝効率について

○有効エネルギーと出力エネルギーの比

モータの入力となる電力は、電圧と電流をかけた値です。交流電力の場合には、電力会社から供給される電力（皮相電力）の一部が無効電力として電源に戻され、有効電力がモータに与えられます。皮相電力に対する有効電力の割合を力率といいます。モータ自身のエネルギー損失の少なさを効率といいます。モータの運転にともない、有効エネルギーの一部は、機械の発熱、摩耗、振動などの損失になります。効率とは、モータの動力となった出力エネルギーに対する有効エネルギーの割合で、モータの動作による損失が小さいほど、効率が高くなります。モータ出力と、定格電流及び定格電圧との関係から、力率と効率の積の値を求めることができます。

ステッピングモータロータリーエンコーダ

○モータの使用現場における効率の意味

効率の高いモータほど、省エネであり、電気料を安くすることができます。標準的なモータに自前の減速機を付加するのと、最初からギヤードモータを選定することの比較でも、減速後の動力に対する効率の比較が有効です。

ユニポーラステッピングモータ

○効率をめぐる国内外の動向

電力消費量における誘導電動機の消費量が高いことから、主要国はエネルギー政策として誘導電動機の効率向上に取り組み、規格化しています。日本では、1999年に省エネ法が改正され、高効率モータの採用が推奨されています。米国、中国、欧州でも効率基準値が定められています。

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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。

ステッピングモーター精度遊星ギアボックス

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。

バイポーラステッピングモーター

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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