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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分解能（またはステップサイズ）、速度、およびトルクの両方に関するステッピングモータの性能は、構造の細部に影響されます。同時に、モータの制御方法にも影響を与える可能性があります。実際には、ローターとステーターの構成が異なるため、すべてのステッピングモータの内部構成（または構造）は同じではありません。
ローター
ステッピングモータの場合、基本的に3種類のローターがあります。
•永久磁石ローター：ローターは、ステーター回路によって生成される磁場に整列する永久磁石です。 このソリューションは、良好なトルクとディテントトルクを保証します。 これは、コイルが励磁されているかどうかに関係なく、非常に強くはないですが、位置変化を阻止することを意味します。 このソリューションの欠点は、他の種類に比べて速度と分解能が低いことです。
•可変リラクタンスローター： ローターは鉄芯で出来ており、磁場に整列する独特の形状をしています（図1および図2を参照）。このソリューションを使用すると、より高い速度と分解能を達成することが簡単になりますが、発生するトルクが低くなり、ディテントトルクがなくなります。
•ハイブリッドローター：この種類のローターには独特の構造があり、永久磁石型と可変リラクタンス型とのハイブリッドになります。ローターには、歯が交互に配置された2つの柱頭があり、軸方向に磁化されています。この構成により、モータは永久磁石型と可変リラクタンス型の両方の利点、特に高分解能、速度、およびトルクを持つことができます。この高い性能はより複雑な構造を必要とするため、高いコストを必要とします。図3に、このモータの構造の簡単な例を示します。コイルAが励磁されると、Nに磁化された柱頭の歯がステーターのSに磁化された歯に整列します。同時に、ローター構造により、Sに磁化された歯はステーターのNに磁化された歯に整列します。実際のモータはより複雑な構造をしており、ステッピングモータの動作原理は同じですが、図に示されているものよりも歯数は多くなっています。歯数を多くすると、モータは0.9°までの小ステップサイズを実現できます。
ステーター
ステーターは、ローターが整列しようとする磁界を生成する役割を持つモータの一部です。 ステーター回路の主な特性には、相数と極対の数、および配線構成が含まれます。 相数は独立したコイルの数ですが、極対の数は、各相が主たる歯の対をどのように使用しているかを示します。2相ステッピングモータが最も一般的に使用されますが、3相および5相モータはあまり一般的ではありません。
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サーボモーターが最初に実用化されたのはDCサーボモーターで、初期の頃はDCサーボモーターしかありませんでした。その後、技術の発展に伴いACモーターにもサーボ機構を持たせることが可能となり、ACサーボモーターが開発されました。
他には、ステッピングモーター、コアレスモーター、DDモーターなどがサーボモーターの種類としてはあります。
今ではサーボモーターと言えば、ACサーボモーターと呼ばれるほど主流になっています。ACサーボモーターは、巻線の高密度化、マグネットの特性や絶縁技術の進歩により、DCサーボモーターと比べて小型化が実現されました。
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ステッピングモーターの駆動方法には定電流駆動方式と定電圧駆動方式の2種類があります。
定電圧駆動方式は回路構成が簡単ですが、高速域においてトルク特性が得にくい方式です。
一方、定電流駆動方式は現在広く使用されている駆動方式で、高速領域のトルク特性に優れた特徴を持っています。当社のステッピングモータードライバはすべてこの駆動方式を採用しています。
定電流駆動方式の概要
ステッピングモーターは各巻線に流す電流を順番に切り替えることにより回転させていますが、回転速度が速くなると、この切り替えが速くなり電流の立ち上がりが追いつかず、トルクの低下が起こります。
そこで、モーターの定格電圧よりもはるかに高い直流電圧をチョッピングすることにより、高速時にもモーターに定格電流を流すことができます。
電流検出抵抗でモーター巻線に流れる電流を電圧として取り出し、基準電圧と比較します。検出抵抗の電圧が基準電圧よりも低いとき（定格電流に達していないとき）は、スイッチングトランジスタTr2を引き続きONし、基準電圧より高いとき（定格電流を超えたとき）は、Tr2をOFFし、常に定格電流が流れるように電流制御しています。
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