長良の落陽。

金属3Dプリンターで作れるもの一例

金属3Dプリンターは、さまざま分野で活躍しています。この章では金属3Dプリンターで造形可能なものの一例をご紹介します。

金属パーツ

航空宇宙分野においては、ロケットエンジンの部品やジェットエンジンの燃料噴射ノズル、タービンブレードといった金属パーツに対して、金属3Dプリンターの適用が進んでいます。

また、自動車分野においても、モータースポーツ分野での高性能な金属部品に加え、電動化・軽量化のために金属3Dプリンターのメリットを活かした研究開発が進められているようです。

こういった軽量化によるエネルギー効率の改善、少量多品種かつ短納期でのものづくりによって輸送や在庫を削減できることから、持続可能な社会・脱炭素社会の実現にも寄与する技術という側面からも、活用の検討が進められています。

医療部品

医療分野においては、人工膝関節や人工股関節など、さまざまな部位のインプラントの造形に金属3Dプリンターが用いられています。

発想次第で作れるものは無限大

金属3Dプリンターを使えば、従来では作成困難だった形のものも造形可能です。金属3Dプリンターは、家庭用のものはもちろん、データを送るだけで作成してくれる金属3Dプリンターの受託造形サービスも存在しています。

3Dデータで設計さえできれば、発想次第でどのようなものも造形可能なので、作れるものは無限大に広がるといえるでしょう。

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建築業界における現状の課題とロボット自動化への期待

残念ながら建築業界ではまだまだロボットが導入されている台数は少ないと言えます。ロボット自動化が実現できれば、さらに多くの問題点は解決に進むことは間違い有りません。そういう点でも建築業界におけるロボットの導入には大きな期待が寄せられています。

では、ロボット自動化が進んでいない原因にはどのようなものがあるのでしょうか。建築業界におけるロボット自動化を阻害する要因としては、主に次のようなものが考えられます。

自動化・ロボット化技術が未成熟

ロボット化施工を前提とした建築設計が難しい

サブコンとの情報交換や下請契約などが問題

それでは、それぞれについて詳しく見ていきましょう。

建築業に適した自動化・ロボット化技術が未成熟

たとえば自動車製造や電子機器の製造に関しては、最終的に製造する製品そのものが小さいという特徴があります。したがって、設備自体もそれ程大きなものは必要ありません。その点、建築業はどうでしょうか。自動車や電子機器と比較すると、対象物がかなり大きくなります。つまり、製造する為の設備としても大きなものが必要です。

残念ながら建物を建築できるロボットは今の所開発されていませんし、今後も開発は難しいでしょう。もちろん、それ以外の部分においては少しずつロボットが開発されています。しかし、まだまだ他の業界に比べると建築業におけるロボット自動化は未成熟ということになります。

また、ロボット自動化自体が未成熟という点と関連して、開発費・製作費が高いということも挙げられます。ロボット自動化という点では、まだまだ手つかずの技術が多いのが現状。それらの技術を自動化していくにはどうしても開発費・製作費が高くなるのはしかたがありません。

ロボット技術が未成熟ということになると、故障時の対応についても不安視されます。まだまだ前途多難というイメージが強い建築業界のロボット自動化です。

ロボット化施工を前提とした建築設計が難しい

現在の建築業界ではロボット自動化を導入することを視野に入れていない設計となっています。したがって、ロボット自動化を行う場合には今までは考えなくても良かったようなことにまで気を配らなければならなくなります。

また、ロボット化の事例も少ないので、事前確定が難しいという点も大きな問題です。

ロボット自動化ではサブコンとの情報交換や下請契約などが問題に！

ロボット自動化を視野に入れて建築する場合、ゼネコンと下請けのサブコンの間で今まで以上に情報交換が必要となります。しかし、現状は情報交換が難しい状況です。

また、サブコンとの下請け契約などに関しても運用面での協調が不足することも考えられます。ロボット自動化を導入することで、今まで以上に工事計画や管理も複雑となり、 ICT（情報通信技術）の活用も推進しなければなりません。そういった点も問題となっています。

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ステッピングモータ制御

ローターが整列する磁場を生成するために、特定の順序でモータコイルにエネルギーを供給する必要があることは前もって説明しました。コイルに必要な電圧を供給するためにいくつかのデバイスが使用され、それでモータが適切に機能できるようなります。我々が持つモータにとって身近なデバイスから始めてみます。

•トランジスタブリッジは、モータコイルの電気的接続を物理的に制御するデバイスです。トランジスタは、電気的に制御された遮断器と見なすことができます。これは、閉じたときにコイルを電源に接続し、コイルに電流が流れるようになります。各モータ相に1つのトランジスタブリッジが必要です。

•プリドライバは、トランジスタの活性化を制御し、必要な電圧と電流を提供するデバイスであり、MCUによって制御されます。

•MCUはマイクロコントローラユニットで、通常はモータの使用者によってプログラムされ、プリドライバが特定の信号を生成して目的のモータ動作を行います。

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主な産業用ロボットの形状4分類

・垂直多関節ロボット

その名の通り、多関節型で、垂直に動いてくれる産業用ロボットです。まるで人間の腕みたいにスムーズに動いて、どのような動作でも可能になります。 4～7軸を装備していることがほとんどで、溶接もできますし、塗装も可能な多彩な動きをみせてくれます。何でもできてしまうので、多くの現場で使われています。複雑な動きに耐えようと思ったら、まずティーチングが必要です。

・水平多関節ロボット（SCARAロボット）

その名の通り、今度は水平に関節が動いて、蛇のおもちゃのように複雑な動きができるロボットです。横に２軸、縦に１軸持っており、手首も動くケースが多いので、全部で４軸が多くなっています。ただ、形状の問題があり、縦の動きだけになります。つまり、上から差し込むタイプの動作だけができるということです。それでもこの動きには重要な価値があり、組み立てる際にぎゅっと押し込む動きが必要な作業にとても適しているといえるでしょう。

・直角座標ロボット

直交ロボットとも呼ばれます。直角の軸を二つ以上組み合わせて、二次元を表現します。二次元の動きに強く、小部品を組み立てるのに適しています。以前はよく使われていましたが、最近は産業用ロボットが複雑な動きができるようになったので、直角座標ロボットはあまり使われなくなっています。

・パラレルリンクロボット

パラレルリンクロボットとは、UFOキャッチャーのような形状で、軽量なアームが素早く動いて製品をぱぱっとつかみ、作業することができてしまいます。製品が流れてくると、パラレルリンクロボットが動き、先端のアームでつまみます。運ぶのが基本なので、迅速に動けるのが魅力的なロボットです。

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3Dプリンターで造形できるもの

製造業で用いる治具・工具等

製造過程で必要な治具、工具を造形します。

金属パーツをプラスチックに置き換えることで、生産効率の向上やコスト削減が可能です。

モノづくりにおける試作品

今も昔も変わらず、「試作品造形」は3Dプリンターの得意技です。

形状確認や勘合チェック、カラーマッチング等、いろいろ活用できます。

実製品や最終製品パーツ

ABSやカーボンファイバー材料の高強度プラスチックを使用して最終製品を造形します。

形状確認や勘合チェック、カラーマッチング等、いろいろ活用できます。

歯型や臓器等の医療用モデル

歯科矯正器具やマウスピース製作用の歯列モデルや、手術シミュレーションや研修時に用いる臓器モデルを造形します。

最近では、コロナ対策用フェイスシールドや人工呼吸器のパーツ造形も注目されました。

樹脂型

試作用の型を樹脂で造形することで、大幅なコストカットとリードタイム削減が可能です。

最終製品と同じ物性で試作品を作りたい場合などに最適な方法です。

実際に造形した造形物の具体例

機能性検証用モデル

熱可塑性樹脂を使用した「FDM方式」の３Dプリンターで「機能性」を求めた造形物が作成できます。

場合によっては「PolyJet方式(インクジェット方式)」も活用できます。

①ABSを使用したバッテリーケース

こちらの画像のサンプルはFDM方式の装置を活用して、ABS材料で造形したバッテリーケースです。蓋の部分にツメがあり、蓋を閉めるとカチャっと靭性を持ったツメがしっかりとはまります。

また、上蓋と下蓋っは別々に造形して後から嵌め合せているので、複数形状のマッチングを試すこともできます。

②アクリル軟質材料を使用したシーリング検証

このモデルはアクリルベースの軟質材料を使用しており、シーリング検証に活用できます。最終製品に取り付けて水漏れやエラーを確認することで製品開発を効率化させます。

また、コンシューマー製品製作の場合は質感やグリップ感を検証することが可能です。

リアルなモデル(単色編)

造形モデルにリアリティを求めるのであれば、UV硬化性のアクリル材料を使用する「PolyJet方式(インクジェット方式)」が活躍することでしょう。

① 形状確認試作

形状確認の為の試作造形の例です。外観の確認はもちろん、内部へのパーツ組み込みがしっかりとできるか、壁厚は適正であるかなど3DCAD上では見つけづらい課題(問題)を、実物モデルを用いて検証がでるので、結果として開発の効率が上がります。

もちろん、複数形状を同時に造形ができるのでパターンテストも行えます。

② 切削や射出成型等の他工法で造形できないモデル

こちらは自転車のチェーンモデルです。一体造形をしており、造形後の組み立て作業は一切行っておりません。稼働部分にはサポート材と呼ばれる仮置きの材料が入り、それを除去することでチェーンが完成いたします。 PolyJet方式(インクジェット方式)では積層ピッチ(1層の厚み)が最小14ミクロンと微細で複雑な形状のモデルを造形できます。

リアルなモデル(フルカラー編)

① フルカラーモデル

機種によっては材料を混ぜ合わせてフルカラー造形することも可能です。

このサンプルは7種類の材料を混ぜ合わせた一体造形となっており、本体部分もグリップ部分も3Dプリンターによる造形のみで後加工の着色等は一切しておりません。

② フルカラー＋透明材料

透明度の高いクリアなモデルを造形することもできます。

透明材料を使用することでクリアモデルの造形や製品内部を可視化などに活用できます。

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