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長良の落陽。

主な3Dプリンター用素材

3Dプリンターの素材と言えば、ABS樹脂とPLA樹脂が最も一般的でしたが、耐候性の強いASA樹脂、耐熱・耐薬品性の強いPP樹脂、エンジニアリングプラスチックのPC樹脂やナイロン樹脂、そのほか、アクリル樹脂、PETG、熱可塑性ポリウレタン、金属なども3Dプリンターで造形できるようになっています。
ここからは、主な3Dプリンター用素材をご紹介していきましょう。
パウダーベッド方式
ABS樹脂とは、アクリロニトリル(A)、ブタジエン(B)、スチレン(S)の三つの有機化合物を結合した熱可塑性樹脂です。最も汎用性の高いプラスチックで、さまざまな製品に使用されています。
ABS樹脂のメリットは、耐衝撃性や耐熱性、耐薬品性に優れていること。また塗装や研磨といった、造形後の加工がしやすいです。
デメリットは、耐候性に弱く、太陽光が当たるところで長時間使用すると強度が低下したり、湿気で反り返ってしまったりすること。安定性が低く冷やすと収縮して反り返りやすいため、特に大きい造形物は造形不良が起こりやすくなります。
PLA樹脂
PLA樹脂は、トウモロコシやジャガイモなどのデンプンを使用した植物由来の熱可塑性樹脂。石油由来のABS樹脂の代替素材として開発された、エコなプラスチックです。
PLA樹脂のメリットは、ABS樹脂よりも安定性が高く、冷やしても収縮や反り返りが起こりにくいこと。大きい造形物の製作にも向いています。
また樹脂が溶けた嫌な臭いがしないのも、嬉しいポイントです。
デメリットは、表面は硬くて丈夫なのですが、耐衝撃性や耐熱性が弱いこと。塗装や研磨などの、造形後の加工が難しいです。
ASA樹脂
ASA樹脂は、ABS樹脂のブタジエンを、アクリレートに置き換えた熱可塑性樹脂です。基本的に、ABS樹脂と特性は同じなのですが、耐候性が高く、屋外で使用しても劣化しにくいというメリットがあります。
PP(ポリプロピレン)樹脂
PP樹脂は、熱可塑性樹脂で、よく耐熱容器などに使用されているプラスチックです。
PP樹脂のメリットは、耐熱性や耐衝撃性、耐薬品性に優れていて、さらに軽いこと。
冷やした時の収縮率が高いため、熱溶解積層方式(FDM方式)での造形は難しいと言われており、主に粉末焼結方式(SLS方式)で使用されてきましたが、最近は、熱溶解積層方式(FDM方式)向けのPP樹脂フィラメントも登場しています。
PET(ポリエチレン・テレフタレート)/PETG
PETは、ペットボトルの素材として使用されている熱可塑性樹脂です。
PETのメリットは、強度や耐久性、耐熱性に優れていること。透明性のある素材ですが、3Dプリンターで造形するとペットボトルほど透明なものは出来上がりませんので注意してください。
PETGは、PETの強化素材で、PET以上の透明性と、ABS樹脂と同じレベルの強度や耐久性、耐熱性、さらにPLA樹脂レベルの安定性を持つ優れた素材です。
エポキシ系樹脂
エポキシ系樹脂は、熱を加えると硬化する、熱硬化性の液体樹脂です。
エポキシ系樹脂のメリットは、安定性と耐薬品性に優れていること。
エポキシ系樹脂で一般的な素材は、ABSライクとPPライク。どちらも紫外線で硬化する液体樹脂で、光造形方式(SLA方式/DLP方式)で使用されます。
それぞれ、ABS樹脂とPP樹脂に似た性質を持っていますが、ABSライクは、ABS樹脂よりもやや強度が劣るため、ABS樹脂の代替としての使用にはあまり向きません。
アクリル樹脂
アクリル樹脂は、透明度の高い熱可塑性樹脂です。
アクリル樹脂のメリットは、耐衝撃性と耐候性に優れていること。そのため建材や車両によく使用されています。
デメリットは、PET/PETGと同じように、3Dプリンターでは高い透明性を再現できないこと。また、表面に傷がつきやすいです。
PC(ポリカーボネート)樹脂
PC樹脂は、熱可塑性樹脂で、特に強度や耐熱性などに優れ、主に工業製品に使用される「エンジニアリングプラスチック」です。
PC樹脂のメリットは、プラスチック素材の中でも最高レベルの強度。また耐熱性や耐衝撃性、耐候性も高く、さらに軽いことです。
屋外での使用もでき、また研磨すると美しい光沢を放って高級に見えます。
デメリットは、高温多湿の環境に弱いこと。対応機種があまり多くないことも挙げられます。
ナイロン樹脂(ポリアミド樹脂)
ナイロン樹脂もエンジニアリングプラスチックです。アパレル製品や自動車のパーツなどに使用されています。
ナイロン樹脂のメリットは、耐衝撃性や耐熱性、耐薬品性に優れた柔軟性のある素材であること。
デメリットは、粉末焼結方式(SLS方式)では一般的に使用される素材ですが、熱溶解積層方式(FDM方式)での造形は難しく、対応機種が限られていること。
またデメリットではありませんが、素材の特徴として、表面が少しざらついています。
熱可塑性ポリウレタン
熱可塑性ポリウレタンとは、ゴムやエラストマーのことです。食品業界や医療業界でよく使われています。
熱可塑性ポリウレタンのメリットは、耐熱性、柔軟性に優れていること。また厚みを調整することによって、硬さを調整できるほか、着色もできます。
デメリットは、安定性が低く、対応機種が限られていることです。
石膏
石膏は、バインダージェット方式でのみ使用できる粉末材料です。主に模型やフィギュアなどの、デザイン確認に使用されています。
石膏のメリットは、材料費が安く、造形にかかる時間が短いこと。また着色がしやすいです。
デメリットは、耐久性が低く、とても脆いこと。また粉末素材のため、造形後の粉末除去、健康被害や事故を防ぐための粉じん対策が必要で、意外と手間がかかることも挙げられます。
金属
金属3Dプリンターにはいくつかタイプがあり、機種によって、鉄、銅、ニッケル、チタン、シルバー、ステンレス、アルミニウムなど、さまざまな金属素材を使用することができます。
金属素材は、主に最終製品の製造に使用され、自動車や航空機、医療パーツなど、さまざまな用途で使用されています。
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3Dプリンター-ABS樹脂の特徴と注意点

3Dプリンターの材料としてのABS樹脂
ABS樹脂は自動車、電化製品でよく使用される材料ですが、3Dプリンターの世界ではFDM(Fused Deposition Modeling)と呼ばれる造形方式で使用される材料として有名です。FDM方式は米国のStratasys社により開発された製法で、フィラメントと言われる糸状の熱可塑性樹脂を造形ヘッド内ヒータで溶かし積層していく造形方式です。1995年Stratasys社からABS樹脂フィラメントがリリースされ、パーツをABS樹脂で直接造形可能になり、形状確認やプレゼンテーションだけでなく、機能確認の用途でも3Dプリンターの利用が可能となりました。
ABS樹脂の特徴
ABS樹脂はアクリロニトリル(AN)、ブタジエンゴム(BD)、スチレン(ST)を原料としたスチレン系熱可塑性プラスチックで、それぞれの頭文字をとって名づけられています。AN、BD、STの成分比を変えることで多くの種類が製造可能でAN成分を多くすれば耐薬品性・強度・弾性率が高くなり、BD成分を多くすれば衝撃強度が向上し、ST成分を多くすれば成形性が良くなります。
 ABS樹脂のBD成分は衝撃強度を向上させる他に、次のような特徴をABS樹脂に与えています。ABS樹脂にめっきを施す技術は確立されており、金属の代替品としてもよく使用されていますが、クロム酸エッチング処理によってABS樹脂表面のBD成分を酸化・溶解し、樹脂表面に微細孔を形成させアンカー効果により高い密着性が得られるメリットがあります。一方でBD成分は二重結合を有するため、光、熱、オゾンにより酸化劣化を起こすことがあります。
そのため屋外での使用や、長期で熱に晒される雰囲気での使用では、塗装などの表面処理を施すか、BD成分の代わりにアクリルゴムを原料としてASA樹脂とすることでABS樹脂並の耐衝撃性を確保しつつ耐候性を高める方法が推奨されます。ASA樹脂は一部のFDMプリンターで造形材料として使用可能です。
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3Dプリンターで使われる材料

3Dプリンターで使うことができる材料が年々進化してきております。
現在販売されている家庭用の3Dプリンターで利用できる材料の主流は「ABS樹脂」と「PLA樹脂」です。しかし、最近では金属やカーボンなど強度のある材料でプリントできる家庭用3Dプリンターも出てきています。
このように強度のある材料をプリントできる装置が出てきたことから、一昔前は試作品の製作として利用が多かった3Dプリンターですが、実用品や最終製品として販売される目的で利用されるケースも増えてきています。
ウォーラーズ・アソシエイツのテリー・ウォーラーズ社長によると、「(米ボーイングと欧州エアバスの航空機大手2社を合わせると)3Dプリンターで印刷された数百個の部品が、すでに航空機に組み込まれて空を飛んでいる」というニュースも流れています。(日本経済新聞より)
10年前では考えられないことであり、今後も益々3Dプリンターの技術は発展していくことでしょう。
業務用ではこのほかに金属やゴムをはじめとして、砂糖を材料にしてお菓子を作ることができる3Dプリンターやセラミックを印刷できる3Dプリンターまで出てきています。
家庭用3Dプリンターで使われる材料
ABS樹脂
 ABSはアクリロニトリル(Acrylonitrile)・ブタジエン(Butadiene)・スチレン(Styrene)の頭文字をとってABSといいます。表面光沢にすぐれており、また着色することができるためデザインを含む外観部品に適しています。また、比較的強度も高く粘りもあることから力が加わるものにも適用できます。(引張強度40MPa前後)
PLA樹脂
PLA樹脂は植物由来の成分(トウモロコシ、ビート、イモ類、サトウキビ等)で出来ているため、プリント中は樹脂独特の嫌な臭いを発しません。プリントするときの樹脂温度はABSより低いため高温に弱いです。そのため弾力性がなく固いといった特徴があります。固いためサンドペーパやヤスリ等で表面がけをするのが難しく、塗料もなじみにくいです。材料が固くねばり強いことから大型の造形物を作るのに適していると言われています。
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サーボモータが動く仕組みは?フィードバック信号とは何か?

サーボモータは正確かつ素早く回転する機械ですが、モータ単体だけでは何もできません。モータを動かすためには、司令塔の役割を果たす「プログラマブルコントローラ(PLC)」と、実際にサーボモータを動かす「サーボアンプ」(ドライバ)が基本的には必要です。サーボアンプは、容量ごとに異なるサーボモータの性能を最大限に発揮できるようにチューニングされているため、メーカーによって両者がセットで販売されることが一般的です。
では、具体的にサーボモータは、どのような仕組みで動くのでしょうか?
まず、司令塔であるプログラマブルコントローラから、サーボモータをどう動かすべきか「位置/速度/回転力」についての目標値が出されます。位置なら、ある目標値でピタリと止められます。速度なら、低速から高速まで、一気に目標速度まで加速することが可能です。回転力については、サーボモータにかかる力(負荷)が急に変化しても目標の回転力を維持できます。
このようなプログラマブルコントローラからの目標値を受けるのが「サーボアンプ」です。サーボアンプは、サーボモータが目標値どおりに動くために必要な出力(電力)を供給します。ただし、本当にサーボモータが指令どおりに動いたかどうかは分かりません。そこで、前述のエンコーダが実際のサーボモータの回転位置や速度を検出し、その電気信号をサーボアンプに返します。
この信号のことを「フィードバック信号」(feedback)と呼びます。図の矢印のように、エンコーダがサーボモータからの信号を摂取し(feed)、それをサーボアンプ側に戻すわけです(back)。そして、プログラマブルコントローラから出された目標値とフィードバック信号を比較して、その誤差がゼロに近づくように、サーボモータの出力をうまくコントロールしていくわけです。
このような制御は、フィードバック信号がサーボアンプ側に戻され、閉じられたループを構成するため、「クローズド・ループ制御」と呼ばれています。サーボモータの最大のメリットである正確な位置/速度/回転力は、このクローズド・ループ制御によって生み出されるのです。
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3Dプリンターで何ができる?

3Dプリンターは業務用3Dプリンターを含めると、様々な造形方法が存在します。一般的な家庭用3Dプリンターでは「熱溶解積層方式」と「光造形方式」の2種類が一般的です。しかし、業務用の3Dプリンターでは高精度を求めた造形方式を採用しています。そこで今回は、家庭用3Dプリンターができる4つの活用法と、業務用3Dプリンターができる3つの用途を紹介します。3Dプリンターを利用することで、私たちの生活にどのような彩を与えてくれるのでしょうか。
家庭用3Dプリンターでできること
家庭用3Dプリンターと、業務用3Dプリンターでは用途が大きく異なるケースがあります。そこで、家庭用プリンターと業務用3Dプリンターそれぞれの主な用途を紹介します。
家庭用プリンターの主な用途
業務用3Dプリンターの活用法を理解するには、家庭用3Dプリンターの用途を把握する必要がありそうです。家庭用プリンターを購入する目的はそれぞれ異なりますが、主に以下の目的で購入する方が多いようです。
・子供の学習目的
・ハンドメイド製品制作
・CADのテストプリント
・3Dプリンターの理解を深めるため
家庭用3Dプリンターでも、本格的な造形物を制作することが可能ですが、主に、簡単な構造物の制作や、お子さんの学習理解を深めるために利用している方が多いようです。家庭用3Dプリンターで「CADの概念」を理解して、設計などの仕事に就く方も年々増加しているようです。
業務用3Dプリンターの主な用途
 
業務用3Dプリンターの造形方式は家庭用3Dプリンターの造形方式よりも多く存在しています。以下に業務用3Dプリンターの用途と造形方式を示します。
業務用3Dプリンターの用途
・機械部品の制作
・歯科モデルの制作
・建築モデルの制作
造形方針種類
・熱溶解積層方式
・光造形方式
・材料噴射
・粉末床溶融結合方式
・結合剤噴射
業務用のプリンターでは主に以上で挙げた方式でプリントアウトします。以上で挙げた方式では具体的に、どのような活用事例があるのでしょうか。
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