１．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
２．DCモーターのデメリット
ブラシの磨耗による粉塵
寿命が短い
接触摺動による騒音が発生
DCモーターにこれらのデメリットがある理由としては、ブラシがあるためであり、ローターに常に接触している金属製のブラシが摩耗してしまうことでこれらの問題が発生します。そのため、定期的にブラシ交換を行い、メンテナンスをする必要があります。
３．DCモーターからブラシレスDCモーターへ
DCモーターの欠点を解決するために生み出されたものが、ブラシレスDCモーターです。ブラシ付きDCモーターから技術的工夫によってブラシをなくしたため、ブラシによって生じる問題が発生しません。
また、DCモーターの制御性や効率が優れるメリットはそのまま受け継いでいるため、現在ではブラシレスDCモーターが広く使われるようになりました。
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一般的なモータが主に機器の動力源として連続回転に使われるのに対し、制御機構を備えるサーボモータは、一定の角度だけ回転して正確な位置で止まることができます。この特長を生かして、産業用ロボットの関節の位置決めからラジコン飛行機の舵の角度決めまで、産業やホビー分野などさまざまなシーンで機器の制御に使われています。
サーボモータの定義
サーボモータのサーボ（servo）は、いわゆる制御機構のことを指します。テクノロジーの領域では、制御する側をマスター（master）、制御される側のことをスレーブ（slave）と呼ぶことがありますが、サーボもスレーブも、ラテン語のServus（奴隷）に由来すると言われています。
つまり、サーボモータとは「言いつけどおりに忠実に働く」という意味合いで名付けられたモータのことを指し、回転位置や回転速度などを制御できれば、その仕組みにかかわらず「サーボモータ」と呼ばれます。
そのため、ステッピングモータやコアレスモータもサーボモータに含まれる場合もありますが、ここでは、エンコーダ（回転検出器）を備え、その情報を基にドライバで速度や位置（角度）を制御するタイプのサーボモータについて説明します。
サーボモータとステッピングモータの違い
ステッピングモータもサーボモータと同様に、外部からの信号により回転角度を制御する機構を備えていて、機器類の位置決めなどが可能ですが、次のような違いがあります。
制御方式
サーボモータはエンコーダ（回転検出器）によって回転位置を検知しており、エンコーダで検出した情報をコントローラへフィードバックすることで位置を制御します。このため精度の高い停止が可能であり、回転の停止中も位置がずれたときには元の位置に戻ります。一方ステッピングモータでは回転角度がパルス数に比例しており、ドライバがコントローラからこのパルス信号を受けることで位置を制御します。よって、位置を検知する機構を必要としませんが、位置ずれも認識できません。想定外の負荷変動などで脱調（指示された回転角度と、モータ回転の同期が失われた状態）が発生することもあります。
トルク/回転数
サーボモータは低速域から高速域まで安定したトルクを発生させ、高速運転も可能です。ステッピングモータは特に低速域で高いトルクを発生させますが、高速域ではトルクが減少するため高速回転には向いていません。
コスト
サーボモータは高価なロータリーエンコーダやサーボ制御装置（サーボドライバ）が必要になるため、ステッピングモータに比べると高価になります。
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今回は3Dプリンター初心者の方向けの情報として、一般的なFDM式3Dプリンター（安価で手軽なパーソナル向けの3Dプリンター）で主に使用されている2つの素材、「PLA」と「ABS」について書いていこうと思います。
今更かもしれませんが、皆さんは今使っている3Dプリンターでどの素材を使っているか意識していますか？
世の中にはメーカー推奨品から中国製のサードパーティ製品まで無数に3Dプリンター用の素材（=フィラメント）が存在しています。メーカーによっては推奨でなくカートリッジ式などで指定の素材しか使えないものもあるので、それを使っているという方も多いかもしれません。
例えば、XYZプリンティング社のダ・ヴィンチ1.0などの機種ではメーカーが販売しているABS樹脂しか使用することが出来ませんでした。メーカー指定品は機体に最適化されていますし色も豊富にあるので特に困ることはないかもしれませんが、やはり他社製フィラメントを使用したいという声があったのか、1.0Aという新しいモデルではPLA・ABSの両方に対応し、今年新たに発売された「プロフェッショナルモデル」と位置づけられたダ・ヴィンチProではその縛りが撤廃され、他社製ABSだけでなくPLA素材にも対応しました。
パーソナル向け3Dプリンター製品のパイオニア的存在、Makerbot社のReplicatorシリーズについては、ほとんどのモデルでPLA素材には対応しています。Replicator2Xという機種ではABS素材にも対応しました。Makerbot社では推奨のフィラメントを販売していますが、中にはもちろん他社製フィラメントを使用している人もいます。
PLA樹脂の特徴
PLA樹脂はポリ乳酸と呼ばれるもので、トウモロコシなどを原料にしたエコプラスチックです。
3Dプリント素材としてのPLAの特徴を簡潔に挙げると
・出力時の温度（≒融点）がABS樹脂に比べ低い
→低い温度での出力が可能（およそ180-230℃程度）。一方50℃程度の温度でも力が加わると歪んでしまう。
・反りにくい
→ABS樹脂に比較して。長いものや面積の大きく薄いもののプリントでは特に重要。
・硬い
→中々削れない。やすりがけなどの後加工が大変。
・靭性に乏しい
→硬いために限度を超えた力がかかると一気に割れてしまう。これは3Dプリント物全てに言えることだが積層方向に水平の力に対しては特に脆い。
ABS樹脂の特徴
対するABS樹脂の特徴と言えるのは以下の通りです。ABS自体は一般的なプラスチック製品に広く使われていますね。フィラメントも多少違えど近い特性を持ちます。
・出力時の温度（≒融点）がPLA樹脂に比べ高い
→高い温度でないと出力できない（230-260℃程度）。100℃くらいまでは変形しにくい。
・反りやすい
→温度が下がった時の樹脂の収縮量がPLAよりも大きいため。薄く長い、平たいものの出力は苦手。
・加工しやすい
→PLAに比べてやすりがけなどが格段に楽。サポート材を外すのも非常に容易。
・靭性がある
→PLAに比べやや柔軟性があるので、曲げや伸びに対しても耐性がある。
PLAとABSを比較するとこのようになります。
では、なぜ機種によってそれぞれの素材を出力できる、できないがあるのでしょうか。
まず言えるのは、ABSの方が3Dプリンターでの出力が難しい、ということです。理由としては先に挙げたように出力に高い温度が求められること――これはつまりノズルの温度を高く上げられなければいけないということ――があります。また、温度が急激に下がると出力中に大きく反ってしまうor割れてしまうため、造形エリア全体を囲うようにして高い温度を保ってやる必要もあります。造形物の定着と割れ防止のためには土台そして空間を温める機能、つまりヒーテッドベッドを装備した機体にしなければいけません。こうした機能を備えていないとABSの出力は困難なのです。
先に挙げたUP pulsやAfiniaはやや特殊で、ヒーテッドベッドは装備していますが造形エリア自体は囲われていません。反りを防ぐためパンチドボード（細かい穴の空いた土台）を採用して定着力を高めています。しかしそれでも造形物の割れは出てしまうことがあるようで、ユーザーの中には囲いを自作して使用している方もいます。
ABSは出力にやや難がある一方で、造形物の研磨しやすさや切削性は良好です。サポート材も簡単に外せます。出力がABS限定の機種は、こうしたメリットから3Dプリンターの性能を最大限発揮するためにABSのみという選択をしていると考えられます。
対してPLAは、出力が楽で非常に安定しているということが出来ます。ABSに比べ冷却時の収縮が少ないため反りや割れが起きにくく、またヒーテッドベッドや造形エリアの温度もABSほどの高温を求められません。一部製品ではヒーテッドベッドなしで糊やテープなどを用いて造形物を固定するものもあります。硬いので出力後に研磨したりする用途には不向きですが、安定して出力したいのであればPLAが最適でしょう。
目的別にすると……
・PLA
→デザインしたものの形状確認や、後加工の少ない実用品、大きいもの、耐摩耗性を確保したいもの向き
・ABS
→後加工で研磨などを行う試作品や、プラモデル・フィギュアのパーツ、稼働機構を持たせたいもの向き
となるでしょうか。
PLA・ABSそれぞれに得意なことがあるので、場面によって使い分けていけると良いですね。どちらか一方しか出力できない機種をお持ちという方も、ご自身の機体が使える素材ではどう出力するのが最適かを考えて運用するだけで、様々な課題が解決していくことと思います。
また、サードパーティ製の製品を使用して機体のトラブルが発生した場合ほぼ自己責任となります。注意しましょう。メーカーが推奨している素材は大抵機体の性能に最適化されるよう素材を調整したり、混ぜものをしていたりと、それなりの理由とクオリティの担保があります。
とはいえ、FDM式3Dプリンターでは他にも柔軟性のある素材や木や金属の混ぜ物が入った素材なども種類豊富にあります。そちらについてもまた後日ご紹介します。
今回はPLAとABS樹脂の特性に絞って紹介をしましたが、いかがでしたでしょうか。皆さんの3Dプリントのお役に立てば幸いです。
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今回は、何をどうすれば3Dプリンタを使って立体造形物を作ることができるのかを解説します。まず、出力の大まかなフローを紹介した上で、出力のために必要な情報（データ）の作成、さらに最終的な出力のための設定について説明します。書類を印刷する紙のプリンタと違って、3Dプリンタは加工機の一種であるため、きちんと立体を作るための最低限の設定について理解していきましょう。
1. 3Dプリンタによる造形フロー
3Dプリンタで造形物を作る流れ（フロー）は、5つの工程に大きく分類できます（図1）。工程前半は、造形したい物体の元になる3Dデータを準備し、その品質を確認する工程で、3Dプリンタは直接関わりません。最初のステップは3Dデータの作成です。例えば、紙のプリンタで書類を印刷する場合、ワードなどで文書のファイルを作成した上でプリンタにその情報を送って印刷します。3Dプリンタでもこの関係は同じです。つまり、最初に3Dデータを作成するというプロセスが必要になるのです。
2. データの作成と確認
3Dプリンタで立体物を造形するためには3次元の形のデータが必要です。写真やイラストのような画像は2次元の情報しか持っていないため、3Dのプリンタで立体物を造形することができません。
・3D CAD、3D CGによるモデリング
3Dデータを作成する方法はいくつかあります。最も一般的な方法は、3D CADソフト、または3D CGソフトを使用する方法です。CADは、Computer Aided Design（コンピュータ支援による設計）の略で、主に工業製品を作成する際に使用されます。従って、正確な寸法や角度などが求められるものを作るのに向いています。例えば、自分の家で使用している道具が壊れてしまって、代わりになる補修部品を正確に作りたいという時には、CADを使うのがよいでしょう。その一方で、自分のオリジナルキャラクターを作りたいという用途もあるかもしれません。その場合、寸法の正確さよりも、絵を描くような感性や柔軟性が求められるでしょう。そのような3Dデータを造形する際には、3D CGが向いています。CGはコンピュータグラフィックスの略です。
既に立体物の実物があって、それを元にしたいという場合には、3Dスキャナを使ってデータ化する方法もあります。しかし、それなりのスキルが必要とされるのに加え、前述の2つの方法と比較して一般的ではありませんので、ここでは詳しい説明は割愛します。また、3Dデータを自分で作成せずに、有志が有償または無償で公開しているデータ共有サイトからダウンロードして使用することも可能です。その場合、STLファイル（次項で解説）の保存や検証は、基本的に必要ありません。
・STLファイルの保存
3Dデータが作成できたら、ファイルを保存します。他の多くのソフトウェア同様に、各ソフトに固有のネイティブフォーマットがあるだけでなく、異なるソフトウェア間で読み書き可能な共通の3Dデータフォーマットが、3Dデータの形式として存在します。
3. 造形のセットアップ、出力と後処理
造形可能なSTLファイルが準備できれば、あとは出力するだけです。ここからは、直接3Dプリンタが関わる造形のプロセスについて説明します。
・造形のためのセットアップ作業
3Dプリンタで出力する場合には、設定とともにプリンタ制御のためのソフトを使用する必要があります。このソフトの役割は、主に2つあります。1つは、造形物をどの向き・どの位置に配置するのか、積層の一層の厚みをどうするのか、などの設定をすることです。これらの設定は、造形品質や造形のスピードに大きく影響するためとても重要です。これらの詳細については、第5回で説明します。
もう1つの役割はスライサーという機能で、一層ごとにスライスされたデータを3Dプリンタに送ることです。データの転送については、設定ソフトが入ったPCとプリンタの常時接続が必要とされる場合と、一度データをプリンタに送ってしまえば、PCは切り離しても問題ない場合とがあります。後者の場合は、プリンタ自体にも制御ソフトが内蔵されています。また最近では、SDカードやWi-Fiなどで制御のためのデータを送ることができるものも増えています。
この設定を行うソフトは、多くの3Dプリンタで使用できる汎用タイプのものと、個々の3Dプリンタ独自のものがあります。キットで自作するようなものは別にして、購入してすぐに使えるタイプの3Dプリンタには、多くの場合、専用のソフトが用意されています。メーカーが用意した専用のソフトがない場合には、フリーまたは商用で多機種に使用できるものを別途用意するとよいでしょう。
・出力作業
3Dプリンタが造形を始めたら、人手は伴うことはほぼありません。造形が終わるまで、早ければ数10分、長い場合でも数時間から数10間待つだけです。その間、3Dプリンタの横についている必要はないものの、出力に時間がかかる場合には、定期的に状況を確認した方がよいでしょう。出力物が造形プレートから剥はがれてしまうなど、出力がうまくいかないことも、残念ながら珍しくはありません。そのような場合、早めに状況を確認した上で修正を行い、再出力をする必要があります。
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ABSはスチレン系樹脂で、ポリスチレンの仲間です。古くからある樹脂で、日本では石油化学コンビナートが作られた時期の昭和38年に商業生産が始まっています。アクリルニトリル(A)・ブタジエン(B)・スチレン(S)の頭文字をとって名前が付けられました。もともとポリスチレン(PS)という樹脂があり、ABSはこのPSの欠点を改善していく中で生まれました。PSの耐熱性を改善するためにアクリロニトリルを共重合したのがAS樹脂（アクリロニトリル・スチレン、（SANと表記することもある））、耐衝撃性を改善するためにブタジエンを共重合したのがHIPS樹脂（ハイインパクトポリスチレン）です。ただしASは耐衝撃性が、HIPSは耐熱性が劣る欠点がありました。これをさらに改善するためPSにアクリロニトリルとブタジエンを共重合してできたのがABS樹脂です。ABSはAとBとSの比率を調整することで幅広い特性を作り分けることができるため、用途に応じて多くのグレードが作られています。
ABSは樹脂相（AS樹脂）にゴム相（ブタジエンゴム）が分散した2相構造を持っています。言うなればゴム強化樹脂です。衝撃が加わると分散ゴム粒子の表面に応力集中が生じ、局所的な塑性変形が起きます。このために衝撃エネルギーが吸収されて亀裂が伝ぱしにくくなります。耐衝撃性を持ちながら、しかも硬さも有しているという、一見相反する特性を比較的高いレベルで合わせ持っているところにABSが幅広く使われる理由があります。
ABS樹脂の製法はいろいろありますが、現在はグラフトブレンド法という方法が主流です。アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンを重合させ、一旦ブタジエン濃度の高い樹脂を作ります（ABS中間体）。このABS中間体をAS樹脂で希釈するというやり方をとっています。AとBとSの比率を自由に変えることができ、耐熱性、耐衝撃性などの特性をコントロールしやすいため、バラエティに富んだグレードがラインナップできるメリットがあります。
ABSは3Dプリントが難しいと言われますが、これは樹脂が溶融状態から固体になるときの収縮によるところが大きいと考えられています。ABSのガラス転移点は110～80℃です。溶融樹脂はガラス転移点を境に固化しますが、ABSの場合はガラス転移点が高いためにノズルから吐出されてから固化するまでの時間が短くなりがちです。そのため固化の際に発生する収縮やひずみを解放するための時間が十分にとれず、ひずみをため込んだまま固化してしまうことになります。そのためABSではヒートベッドなどで造形品を加熱し、ノズルから出た樹脂をゆっくりと冷却する形で造形が行われます。ABSもPLA同様に吸水しますが、PLAと異なり基本的には加水分解しにくい樹脂のため、PLAほどは造形がボソボソになったりノズル詰まりになったりという現象は起きにくい傾向があります。
ABSは性能のバランスがいいので幅広く使われていますが、紫外線に弱いということを注意しておく必要があります。ブタジエンゴムが分子鎖中に二重結合を多く含んでおり、この部分が特に紫外線の影響を強く受けるため、屋外用途にはあまり使われません。紫外線に長期間さらされると黄変や劣化が進行します。紫外線吸収剤を添加して対策することもがありますが、屋外用途の場合はブタジエンゴムを別のものに変える方法がよく取られます。耐候性改善のためブタジエンゴムをアクリルゴムに変えたものがASA樹脂、EPゴムに変えたものがAES樹脂です。シリコンゴムを使ったSAS樹脂というのもあります。ASAはフィラメント用としても使われています。
ABSは溶融すると独特のイヤなにおいがします。3DプリンタでもよくABSは臭気が問題になります。ABSは有害物質や微粒子を発生しやすいという報告もあり、密閉した部屋で長時間稼働する場合は換気をした方が無難です。3Dプリンタはノズル周囲やヒートブロックに樹脂が付着しやすく、延々有害物質を出し続けてしまうこともありますので造形後はよく拭き取ることも重要です。
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