「3Dプリンターがあれば色々できる。製造工程に大きな変革をもたらすことができる。」
それは感覚ではわかっていても、具体的にどう使えるのか知りたい方に、3Dプリンターの用途を整理しました。
3Dプリンターを購入する際は、「今したいこと」に限らず、今後考えられる3Dプリンターの使い道についてイメージしておくと良いでしょう。
実際に3Dプリンターを導入すると「あれも3Dプリンターが使えないか」「この使い方はできないか？」と、発想も適用の範囲も拡がるものだからです。
そのためにも、下記でご紹介する3Dプリンターの特性の把握から行うことをお勧めします。
押さえておきたい3Dプリンターの３つの特性
3Dプリンターは産業界に革新をもたらす技術です。しかし、何でもできる魔法の道具ではありません。
用途をズレなくイメージするには、前提として3Dプリンターの特性について知っておくことが助けになるでしょう。
１．3Dプリンターはものづくりの時短に向いている
これまで専門の加工事業者に依頼する必要があった試作が自社内で可能になります。外注費、コミュニケーションコスト、出来上がりを待つ時短は効率化につながります。
Point. 3Dプリンターは１回の造形に数時間掛かる
3Dプリンターに3Dデータを読み込ませてから造形物が完成するまで、短くても(形状にもよりますが)数時間程度要するものが多いです。
そのため、量産には向かないことは留意しておきましょう。
２．3Dプリンターで造形できるサイズは20～30cm四方程度が標準的
3Dプリンターは装置の中で造形物を出力します。
皆様おなじみの紙のプリンターにA4サイズ・A3サイズ対応の機種が存在するように、3Dプリンターも機種によって扱える最大サイズが決まっており、20cm～30cm四方のものが標準的と言えるでしょう。
Point. 大サイズ造形には専用の3Dプリンターがあります
大きなサイズを造形できる3Dプリンターでは、一辺が1mを超えるサイズの造形物を「高精度に」作れるものもあれば、最大高さ1.8mを「高速に」造形できる機種などが存在します。
３．3Dプリンターで使える材料は多種多様
3Dプリンターは、産業界のニーズを満たすために様々な材料を用いることができるよう発展してきました。
PLAのような安価な素材から、ABS樹脂のような熱に強いプラスチック、ゴムのような柔軟性のある素材、透明なクリア素材、耐薬品性、耐熱性のあるスーパーエンプラに、ステンレス、銅、インコネル等の金属、高強度のカーボン入りナイロンまで。
形を再現するだけが3Dプリンターの用途ではないということを感じていただけるかと思います。
3Dプリンターの主な用途
では、3Dプリンターが多く活用されている用途についてご紹介いたします。
製品開発における試作に
これまで3Dプリンターが最も活用されてきた分野と言っても良いでしょう。
製品開発時、実際にモノとして作ることで、外観、使いやすさ、安全性、機能性、耐久性、組み立てしやすさ等、あらゆる面で段階を追って、いくつも試作が成されると思います。
製品企画時におけるデザインイメージの具体的な確認、基本仕様・デザイン検討といった製品開発の上流工程から、材料や部品の組み合わせといった細部のすり合わせまで、3Dプリンターは活用されています。
従来の試作方法の課題
ひとつの製品が形になるまで、何回も試作が繰り返し行われます。
例えば試作金型を外注に出すにも1度の依頼で数十万円からの費用と、数週間～数カ月のリードタイムを要してしまっては、設計者やデザイナーが納得のいくまで試作を繰り返すことは難しくなります。また、製品開発のスケジュールが外注依存になってしまい、外注先が繁忙状態の場合待たされてしまうこともあるでしょう。
3Dプリンターの登場で変わる製造現場
この外注費をカットでき、帰り際にセットすれば翌朝できているというリードタイムの圧倒的な短縮、そしてコミュニケーションコストの削減は製品開発のシーンを一変させるパワーがあります。
FDM方式であれば、形状確認だけでなく、実製品と同じ材料を使用した機能性の確認まで行うことができます。
新製品の投入サイクルの短縮化を求められるシーンにおいて3Dプリンターの導入は非常に有効で、その目的で導入されている企業が多くあります。
また、金属造形物の試作についても同じです。
最新の金属3Dプリンター、特にBMD方式のものはかなり技術が進歩し、金属3Dプリンターの弱点を克服しています。
数年前に金属3Dプリンターを導入検討したが使えないと判断した企業でも再度検討してみていただきたいと思います。
デザインがより価値を持つ世界に
近年デザイン性の高い製品が多くなったと感じていますが、その裏には3Dプリンターの活躍があります。
技術のコモディティ化が進んだ現代、製品の大きな差別化要因としてデザイン面が注目されるようになり、デザインの価値は年々高まっています。
デザイン性の高さからファンを集める多くのメーカーで形状だけでなく、色や質感までリアルに表現できるマルチマテリアル対応の3Dプリンターのニーズが高まっています。
開発スピードを高める
3Dプリンターがあれば試作開発のスピードがアップします。
試作を外注に出す、粘土などの加工できる材料で手作りする、といった手間も時間も掛かる工程から解放されます。
コンセプト確認のレベルを高める
3D CADで描いたイメージをコンセプト確認時点で立体物として手に取ることができれば、議論の精度も高まり、手戻りも減ることでしょう。
近年の3Dプリンターでは、完成品と見紛う程のリアル造形が可能な機種も出ています。
フルカラーかつ、硬質・軟質・ゴム・半透明の材料を複数組み合わせて様々な質感を造形できる3Dプリンターは、デザインにこだわりのある企業の製品企画部門・デザイン部門様で人気です。
外注や工場に依頼せずとも、デザインオフィスだけで完結できるところも魅力と言えます。
デザイン情報漏洩を防ぐ
デザインによる差別化を行う上で、製品デザインが公開前に流出することは避けなければなりません。
デザインに関わる情報漏洩リスクを抑制するために、試作を外注せず社内の3Dプリンターを使って行うケースも増えています。
治具・工具での利用
3Dプリンターでは、生産に必要な治具・工具を造形することも可能です。
BMW社ではエンブレムの取り付け治具を、金属からストラタシスのFDM方式で造形した治具に切り替えました。
これにより、軽量化や人間工学に基づいた「作業しやすい」形状の治具を実現し、モデルチェンジがあってもデータ修正だけで簡単に作り直すことができます。
他にも、特注の置き治具や工具のパーツ、樹脂型など、いざという時に「あったら便利」なものを造形できます。
例えば、メインの用途が試作だとしても、3Dプリンターが空いているときに別の活用もできるのです。
最終製品（部品）での利用
一昔前では、3Dプリンターで最終製品を造形するのは厳しい状況でした。
しかし、技術の進歩と時代の変化から、最終製品での3Dプリンター活用が現実的な選択肢として選ばれてきています。
少量多品種生産に
例えば、航空機は何万、何十万機と量産するものではありません。
しかも、１機で数百万点の部品が使われると言われ、小ロット多品種なパーツが必要となります。
ボーイング社やエアバス社では部品の一部を3Dプリンターで製造することでコスト抑制・効率化と軽量化を実現しています。その点数は数万点に及ぶとのことです。
廃版になった製品の保守パーツ
製品の製造終了後も、保守部品を規定の年数供給することは、メーカーにおける負担になっていることと思います。この保守部品の在庫管理や、部品を製造するための金型の保管・管理のコスト、都度発生する採算の取れない少数製造コスト、それに関わる物流コストもばかになりません。
3Dプリンターの活用で「必要なときに、必要な分だけ」出力することができれば、大きな負担軽減になるでしょう。
また、メーカー側で保守部品の供給も終了している製品については、ユーザ側が形状を三次元測定し、その形に合わせて3Dプリントすることで製品の延命に用いるといったことも、実際に行われています。
3Dプリンターだからできる構造の実現
3Dプリンターは中空構造が容易に実現可能です。
また、CAE技術と相性が良く、強度を保ちながら軽量化することもできるでしょう（トポロジー最適化）。
従来の加工技術では実現不可能な形状も、3Dプリンターであれば実現できるものもあります。
複数種類の素材を同時に用いる3Dプリンターでは、アッセンブリ加工でも実現できない形状・組み合わせで造形することも可能になります。
そのような3Dプリンターだからこそ実現できる形状・特性を利用する製品設計に取り組んでいる企業もあります。
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ブラシ付き・ブラシレスを問わず、DCモータは「起動トルクが大きい」「高速回転が可能」といった特徴があり、さまざまな用途で利用されています。なかでもブラシレスDCモータは、ブラシ付きと比べて長寿命でメンテナンスの手間がかからず、静音性が高いモータです。
ブラシレスDCモータは、どのような分野で活用されているのでしょうか。ここでは、分野ごとの用途例を紹介します。
ブラシレスDCモータの特徴とメリット
まずは、DCモータとはどのようなモータなのか簡単にご紹介します。DCモータは直流電源を使用するモータです。「高速回転が可能」「起動トルクが大きい」などの特徴があり、電圧に応じて回転数やトルクの制御もできます。
DCモータは、ブラシという電極の有無によって「ブラシ付きDCモータ」と「ブラシレスDCモータ」の2種類に分類されます。ブラシ付きDCモータはブラシと整流子を備えていますが、これらは消耗品のため「寿命が短い」というデメリットがありました。一方ブラシレスDCモータは、その名のとおりブラシがありません。モータ内部の磁気センサで検出した信号をもとに、駆動回路のトランジスタをオンまたはオフにすることでモータを回転させます。
つまりブラシレスDCモータは、消耗品であるブラシを使わずに電子的に電流の向きを切り替えることで、「高いメンテナンス性」「長寿命」という特徴を実現しています。さらに、ブラシ付きモータと比較して静音性が高いことが魅力です。
モータ音が小さくて静かなため、家庭用の電子機器などで静音性を向上させたものが多く展開されるようになりました。
一般家電分野や業務用電化製品分野における用途
生活している中でブラシレスDCモータを直接見る機会は少ないですが、私たちが普段から使っている家電製品の中にも多く採用されています。例えばエアコンや冷蔵庫。冷気や暖気を排出するためにファンが装着されていますが、そのファンを動かすためにブラシレスDCモータが採用されています。
同様に扇風機でも採用されるケースが増えています。扇風機の羽の回転は非常に早く、モータ音がしやすいことから、ブラシレスDCモータを採用して静音性が高く細かな風力調整ができるモデル展開もあります。
その他にも業務用電化製品に用いられるケースもあります。例えば、レーザービームプリンタの紙送り機能。ドローンではプロペラやジンバル制御。工具ではドライバーやのこぎりなどの回転。このようにブラシレスDCモータは非常に汎用性が高いモータなのです。
ブラシレスDCモータの導入事例
決め手はモータの変更だけではなかった。残された課題をクリアし機器をさらに小型化
厨房機器
提案を受け、暗礁に乗り上げた新製品開発が始動。開発費の抑制と製品の省エネ化を実現
冷凍冷蔵ショーケース
精密機器分野における用途
ブラシレスDCモータは、精密機器分野でも多く採用されています。メジャーなものとしては、パソコンやDVDなどに用いられるHDDやPCのドライブ、ブルーレイレコーダーなど。これらの要となる機能としてディスクの回転があります。ディスクを回転させるためのスピンドル部分に、ブラシレスDCモータが使われているのです。
日常的に使用されるものの多くは長寿命性が求められています。寿命が長くメンテナンス頻度が少ないブラシレスDCモータは精密機器分野で欠かすことのできない存在です。
車載分野における用途
ご紹介したようにブラシレスDCモータが採用されるケースは近年増えていますが、最も大きく採用を伸ばしているのが車載分野です。自動車を動かすためには、さまざまな電子機器が必要となります。主な用途例は次の通りです。
電動パワーステアリング用モータ
電動オイル分布用モータ
ヘッドライト光軸駆動用モータ
電動パーキングブレーキ用モータ
電動アクティブスタビライザー用モータ
ハッチ自動開閉用モータ
ドアロック用モータ
ドア開閉用モータ
シート冷却用ファンモータ
自動車には、運転手や同乗者はもちろん、歩行者や他の自動車などを危険にさらしてしまうリスクがあります。そういったリスクをできるだけ抑えるために、長寿命でメンテナンス頻度の少ないブラシレスDCモータが採用されるシーンが多くなっています。また、ブラシレスDCモータの高い静音性は、運転環境をより快適なものにします。
ブラシレスDCモータの特徴を活かした用途分野を把握しよう
ブラシレスDCモータは、ブラシを使用しないことから「長寿命」「メンテナンス性が高い」「静音性が高い」といったメリットがあります。この特徴を活かして、私たちの生活のさまざまな分野で利用されています。
家電などで日常的に使用される電子機器から業務用電化製品まで。その応用は多岐にわたります。そして最近では、快適性と安全性が求められる車載分野にも応用されるようになっています。自分たちの周囲でブラシレスDCモータがどのように活用されているのか、あらためて確認してみてはいかがでしょうか。
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GEの計画は高性能な3Dプリンターが多数必要になる。従来の機械加工品に代わる製品を3Dプリンターで作り出すためには、従来品よりも、コスト、リードタイム、性能、耐久性等すべてにおいて優れている必要がある。
そのため燃料ノズルを3Dプリンターで製造するためには金属粉末をレーザーで加熱し噴霧するといった作業を約3000回繰り返して積層していくという作業が必要になる。
このためには3Dプリンター自体にも精密で正確な精度が必要になる。この生産体制に切り替えた場合は従来の製造工程によって作られた燃料ノズルよりもはるかに計量で、耐久性に優れ、製造に関する人的資源と時間、コストの節約になると考えられている。
人的資源、時間、コストの節約は削減された分を異なる分野に振り向けることができる。
新しく従来品よりも機能性に優れたパーツの研究開発などに振り向けることができる。そうすることで、従来のパーツでは達成できなかったデザインを可能にし、より機能性を高めた製品が作られることになる。
実際にGEが見積もっている機能性の向上は、耐久性の面において、従来の製造方法よりも5年間長持ちし、軽量化を果たすことが可能だとしている。
計画として2016年までに3Dプリントによる生産ラインを稼働させることにあるが、当初はボーイング747とエアバスA320neoの燃料ノズルの製造から開始するとのことだ。
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Q：ACモーターとDCモーターは、どう違いますか？
A：ACモーターとDCモーターは、駆動用の電源が異なります。また、回転原理も異なります。
ACは交流のことで、商用電源（家庭用の100V）や工場用の高圧電源により動作します。
DCは直流のことで、バッテリーなどにより動作します。
DCモーターは、交流電源を直流に変換することでも使用可能です。
また、現在はインバータの使用により、バッテリーでACモーターを駆動させることも可能になっています。
Q：サーボ・モーターと一般モーターの違いは？
A：サーボ・モーターは、一般のモーターと比べて、制御の点で違いがあります。
サーボは「追従」の意味で、サーボ・モーターは、回転数（＝速度）の制御、停止位置（＝角度）の制御をするためのモーターです。
回転数や回転位置を検出するためのセンサーを内蔵しているものが多く、一般的には、制御基板と組み合わせて使用されます。
Q：モーターの選定には、どのような諸元が必要ですか？
A：色々な仕様値が必要になりますが、最低限度として、電源の電圧値と回転数、所要トルク（または所要出力）の3つが必要でしょう。
他に、使用時間（動作・休止）、周囲温度、周囲環境などもわかれば、選定に有利となります。
Q：トルクとは、何ですか？
A：トルクとは、回転軸の芯を中心とした回転力のことです。一般的には、回転の中心から一定距離の作用点に発生する力により測定します。
例えば、中心から1[cm]離れた作用点で、1[kgf]の力を発生させるモーターは、1[kgf･cm]のトルクを発生させるモーターということになります。
Q：モーターの出力は、どのように求めますか？
A：出力は、トルクと回転数の積です。単位により係数が異なりますが、例えば、トルクが5[kgf･cm]で、回転数が1,000[rpm]の状態での出力は、5×1,000×0.01027(係数)＝51[W]と求められます。
Q：時間定格とは、何ですか？
A：モーターを連続して使用できる時間です。各モーターで、それぞれ時間定格が決まっています（特にDCモーター）。
温度上昇値によって定められている場合が多いので、15分定格のモーターを使用する場合、15分使用後、温度が使用前の水準に戻ってから、再度、15分使用できることになります。
温度が下がる前に使用すれば、焼損してしまう可能性もあります。使用条件については、ご購入前にご相談ください。
Q：モーターの絶縁は、ACモーターと違いますか？
A：一般のDCモーターは、回転子への電力供給用のブラシを内蔵しています。
このブラシは、使用に応じて磨耗していきます。磨耗粉が内部に堆積することにより、絶縁は劣化していきます。
定期的なメンテナンスの実施により、絶縁レベルは安全に保持されますが、メンテナンスなしの場合、絶縁劣化に注意する必要があります。
Q：モーターの寿命は、どの程度でしょうか？
A：DCモーターの場合、前項記述のとおりブラシの磨耗による使用限界があります。
機種により寿命は異なりますので、ご検討の際はお問い合わせください。
ACモーターは、周囲環境に特異性がなければ、軸受の寿命に近似します。
Q：モーターに、有害物質は使用されていますか？
A：鉛（配線部分）、6価クロム（ボルト、軸受部分の鍍金）、キシレン（塗装部分）などが使用されていますが、有害物質を含まない代替部品への変更を進めています。
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ロボットシステムを構築する時に誰に頼めばいいのでしょうか？
ロボットメーカーに依頼をしても、直接、ロボットシステムを構築は通常してくれません。
実際にロボットシステムを構築する役割をもっているのが、ロボットシステムインテグレーター（SIer）になります。
ロボットシステムインテグレータとは、ロボットシステム導入の提案から設計、構築等を行う事業者です。対応できるシステムを構築の内容に関してはシステムインテグレーターによってさまざまです。
製造現場で実際に稼働させ成果を挙げるためには、いくつかの注意したい点があります。
①ロボットを導入したい現場に合ったロボットを選ぶ必要がある
②作業に必要なハンドや追加装置（センサーや画像処理システムなど）をロボット本体と組み合わせる必要がある
③そのために製造ラインから見直す必要がある
④人の安全を確保する必要がある etc.
つまり、お客様ごとの課題を見える化して、最適な協働ロボットシステムを設計。導入、運用までをサポートする。それが私たちロボットSIerの最大の役割なのです。
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