これまでの試作品や治具の製作には、一般的に切削工法が用いられることが多かったのですが、1点あたりにかかるコストが高いなどの理由から、3Dプリンターが普及し始めました。
ここでは、3Dプリンターに用いられる3Dプリント（積層法）と従来工法の切削加工との違いを詳しくご説明します。
3Dプリント（積層法）とは
3Dプリント（積層法）とは、3DCADデータをもとにスライスされた2次元の層を一層ずつ重ねていくことで、立体物を造形する加工方法のことです。
立体物の余分な部分を削ったり切ったりして完成品の形に近づけていくのではなく、3Dプリンターで立体物を造形した時点ですでに完成品の形をしているのが積層法である、とお伝えするとわかりやすいかもしれません。
例えば球体を造形する際、3Dプリンターにデータを流し込んで造形を始めれば、初回の造形でデータ通りの球体ができあがります。そこに後追いで手を加える必要はありません。
切削加工とは
一方、切削加工とは、さまざまな工具を使って物体を切り削り、目的の形に削り出していく方法です。
大きめの材料から不要な部分を取り除く手法で、「除去加工」とも呼ばれています。
手間はかかりますが非常に高い精度を誇っており、実際の製品と同じ材料で試作をしたり、最終製品のパーツを製作したりする際に利用されることが多いです。
ただし、後述しますが、複雑な造形には向いていません。
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近年、世界のモータの年間生産台数は約100億台で、その消費電力は世界の電力消費量全体の約50%を占めると言われています。とてつもない数に聞こえますが、PCにはハードディスクや光学ドライブに冷却ファンがあり、洗濯機、冷蔵庫、エアコン、ハイブリッド車など、身の回りにあるものに使われているモータを数えてみれば納得のいく数だと思います。また、環境問題対策の一例として、欧米を中心に自動車の電動化が明示されており、モータの需要は強い増加傾向にあります。
一方、世界的なエネルギー問題に関連して厳しい省エネ規制が設けられ、当然ながらモータを使った機器の省エネ対応は重要課題です。モータ自体の省エネ化はもちろん、効率の高いモータ駆動や制御方法も非常に重要になります。
前述したように、モータは様々な分野で多様なアプリケーションで使用されています。したがって、モータには多くの種類があり、モータのドライブ（駆動）方法や制御方法も多様です。Tech Web Motor基礎知識「モータドライブ」では、モータの基礎と、様々なモータのドライブ方法を解説して行きます。
最初に、近年のモータドライバに求められる4つのポイントについて記します。このコーナーでは、これらを念頭に実際のモータドライブの話を進めて行きたいと思います。
モータドライバに求められる4つのポイント
①高信頼性
異常な電圧や電流からモータドライバICを保護する機能や、電源電圧低下による誤動作を防止する機能など、モータドライバは十分な保護機能を備えている必要があります。また、モータの起動時や強制停止、拘束時などにモータ電流を制御する電流制限機能、さらに外部のホストプロセッサなどに障害状態を出力する機能を搭載し、安全性を確保することが求められています。
②低消費電力、高効率
モータの消費電力を低減するためには、低消費電力なパワーデバイスとドライブ技術が必要です。例えば、自動進角調整機能などを用いて、低速回転から高速回転までの広範囲な回転数領域において高い効率を得ることが可能です。
③静音、低振動
モータ動作時の騒音や振動に対しては、駆動波形の最適化が重要です。ブラシレスDCモータドライバの最適通電幅技術（120度、150度、正弦波）、ファンモータドライバのソフトスタート技術、ステッピングモータドライバの電流減衰方式（Decay技術）など、各分野の用途に応じた各種モータの磁気回路に最適な通電駆動技術に対する必要があります。
④制御、利便性
FLL（速度制御）やPLL（位相制御）によるモータのデジタル回転制御技術や、アクチュエータに要求される高精度位置決め制御技術などの高効率駆動制御アルゴリズムは、高性能なモータアプリケーションの開発に欠かせません。ハードロジック化した制御アルゴリズムをドライバICに搭載するなど、設計者が手軽に高効率駆動制御アルゴリズムを利用できることが求められています。また、ドライバIC間での互換性は利便性を高めます。開発の途中で仕様変更が生じた際に、モータ駆動制御基板のパターンを変更することなく置き換えられるなど、利便性の向上は重要です。
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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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