2022年09月28日

3Dプリンターの各造形方式の仕組み

3DプリンターはASTM F 42委員会によって、造形方式を各造形メカニズムによって、分類されます。

※ASTM F 42委員会とは、世界最大規模の団体である米国試験材料協会「ASTM」によって、3Dプリンターに関する規格を明確化するために設立された組織のことです。

例えば3Dプリンターの種類には、下記のものが挙げられます。

熱溶解積層方式(FDM/FFFFDM方式)
光造形方式(SLA方式)
インクジェット方式(材料噴射法)
粉末焼結積層方式(SLS方式)
作製したい製品や造形物にあわせて、それぞれ適した造形方式を選ぶことが大切です。

各造形方式の原理やメリット・デメリットについて、それぞれ解説します。

熱溶解積層方式(FDM/FFF方式)
熱溶解積層方式はFDM(Fused Deposition Modeling)方式もしくはFFF(熱溶解積層法)とも呼ばれ、加熱されたノズルの中で溶かした材料を吐出しながら、材料を積み重ねる造形方式です。

造形材料として、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)やPLA(ポリ乳酸)が主に使用されます。

この方式を採用した低価格帯の機種は多く、個人ユーザーの間でも人気があります。

熱溶解積層方式のメリット・デメリットは、以下のとおりです。

メリット

ABSやPLAなど、取り扱いやすく安全性の高い樹脂を用いられる
装置の操作性が高いため、初心者向けである
様々な樹脂を織り交ぜた印刷が可能なため、色のバリエーションが豊富

デメリット

表面の仕上がりが比較的粗い
積層時は一層ごとに冷却・硬化させる必要があるため、造形時間が長くなる
以上の特徴から熱溶解積層方式は、手軽に3Dプリンターを扱う用途に適しています。

光造形方式(SLA方式)
SLA(Stereolithography Apparatus)方式の光造形は、紫外線の照射で光硬化性の液体樹脂を硬化させ、一層ずつ積層していく造形方式です。

液体樹脂に照射する紫外線が点状のため、照射範囲が狭く細かいものでも容易に造形できます。

光造形方式(SLA方式)の特徴は、下記のとおりです。

メリット

微細な造形が可能で、表面の仕上がり精度が高い
点状の光で照射でき、ヘッドがずれることもないため、他の方式よりも寸法精度が高い
比較的に透明度の高い造形物が造形できる

デメリット

装置や樹脂が他の方式と比べて高価である
光照射の範囲が狭いため、面状に照射する方式に比べて時間がかかる

インクジェット方式(材料噴射法)
3Dプリンターのインクジェット方式は、液状の粒子を吹き付けて印刷する「紙のインクジェットプリンター」とは異なる造形方式です。

インクジェット方式の中でも材料噴射法は、インクの代わりに液状の光硬化性樹脂をヘッドから噴射して、紫外線照射によって樹脂を硬化させ積層を繰り返す造形方式です。

材料を吐出するインクジェットヘッドが複数搭載された装置を用いると、造形物の各部位に適した異種材料を組み合わせながら使用できます。


メリット

積層ピッチが薄いため、細かい造形をすることが可能
表面の仕上がりが滑らかであり、造形精度が高い
異種材料を組み合わせて造形できる

デメリット

造形後に直射日光に当て続けると、硬化して変形してしまう
造形物の空洞部にサポート材が必要であり、コストや手間がかかる
以上の特徴から、材料噴射法によるインクジェット方式は、フィギュア制作やデザイン確認などの屋内での用途に適しています。

粉末焼結積層方式(SLS方式)
粉末焼結積層方式は、レーザー光線を用いて材料粉末を直接照射し、焼結によって造形物を作製する造形方式です。

レーザー光線を選択的に照射する方式であるため、SLS(Selective Laser Sintering:選択的レーザー焼結)方式とも呼ばれています。

材料として最も使われているのはナイロンをはじめとした樹脂ですが、金属やセラミックなどの粉末も使用されています。

メリット


造形時に粉末を敷き詰めるため、サポート材が不要であり設計の自由度が高い
任意の箇所にレーザー光線を照射できるため、複雑な形状も造形可能
焼結を活かすことで、粉末を粒子レベルで結合するため高強度が得られる

デメリット

造形直後の表面は粗いので、研磨などの後加工が必要になる場合がある
造形後の粉末除去に時間がかかる
粉末焼結積層方式で作製した造形物は高強度であるため、少量多品種生産に適している造形方式です。

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2022年09月21日

3Dプリンターで作れるアクセサリー

ブローチ
ペンギンのイラストをCADソフトで作成して、3Dプリンターで印刷した商品です。模様の変わり目でフィラメントを変えることで、立体的なブローチが作れます。アクリル素材のブローチとは違う魅力があります。シンプルなカバンに付けるとワンポイントになってカワイイです。


ピアス
毛糸の糸で作られたような柔らかな印象の花のイヤリングです。ふっくらとしたカーブで作られた花モチーフは3Dプリンターだからこそ作れる形状です。ナイロン(ポリアミド)素材で作っているため、やさしい質感になっています。


ネックレス
はじける花をイメージしたネックレスです。3Dプリンターで立体的にデザインすることで個性的な印象に仕上がっています。個性的なネックレスですが、色をホワイトにすることで、どのようなコーディネートとも合わせやすくなります。

ストラップ
3Dプリンターで作ったソフトクリームの携帯ストラップです。コーン部分の色を変えて、好きな友達とお揃いで持つとカワイイです。ソフトクリームの3Dデータは、オープンデータとして公開されており、誰でもダウンロードして利用できます。

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2022年09月16日

光造形3Dプリンターで作れるジュエリー事例

ネックレス

4本の線が螺旋状に渦を巻きながら雫の形状を作っている存在感があるジュエリーです。チタンをレーザーで焼結させており、独特な凹凸のあるマット調が魅力となっています。また、チタンのため非常に軽くて付け心地の良さも魅力となっています。


リング

複数のリングが繋がっており、上手く組み合わせることで1つのリングになるジュエリーです。このようなリングは「パズルリング」と呼ばれており、2つのリングが離れずに組み合わさるということから「離れることのない2人」としてカップルに人気です。

中世のヨーロッパでは結婚指輪として使用されていました。このような独特な形状も3Dプリンターであれば簡単に構想できます。


イヤーカフ

ねじれと空洞が特徴的なイヤーカフです。存在感があるジュエリーのため、シンプルなコーディネートにアクセントして使用できます。この商品の大きな特徴はモニターを募集して、フィットモデルを装着してもらって作り上げたことです。試作品を何度も気軽に作れる3Dプリンターの魅力が最大限に活かされています。

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2022年09月08日

家庭用3Dプリンターのメリットとデメリット

家庭用3Dプリンターのメリット
家庭用3Dプリンターのメリットは、以下のとおりです。

業務用と比べて本体価格が安い
業務用と比べて本体サイズがコンパクト
家庭用3Dプリンターは業務用3Dプリンターと比べて本体価格が安いので、個人の方でも気軽に所有することができます。業務用3Dプリンターは高額なので、個人向けとはいえません。


また、業務用3Dプリンターは法人でないと買えないことが多いですが、家庭用3Dプリンターなら個人の方でも購入することができます。

業務用3Dプリンターは大きな製品を造形することが多いので本体サイズも大きいですが、家庭用は本体サイズがコンパクトなため、自宅でもモノづくりが楽しめます。

家庭用3Dプリンターのデメリット
一方の家庭用3Dプリンターのデメリットは、以下のとおりです。


大きな造形物や微細な造形物は製作できない
使える材料が限られる
マニュアルやサポートは弱い
家庭用3Dプリンターは、業務用3Dプリンターのように大きな造形物や微細な造形物を製作するのは苦手です。使える材料も限られているため、業務用3Dプリンターほど多彩な材質の造形物は作れません。

マニュアルや購入後のサポートも家庭用3Dプリンターは弱く、日本語で書かれていないことが多いうえ保証がついていないことが多いです。

FLASHFORGEの3Dプリンターは、家庭用も業務用もマニュアルは日本語対応であり、購入後2年間の無料修理サポートが付帯するうえ、電話やメールにも対応しています。

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2022年09月02日

【業界別】産業用ロボットの活用事例

産業用ロボットは状況に応じてアームを制御して、工場の規模や扱う製品にかかわらず作業の自動化ができます。最後に、産業用ロボットがどんな業界や現場で活躍しているのか、活用事例をご紹介します。


【製造業界】女性作業員の運搬作業を自動化
あるレトルト製品の製造工程では、小柄な女性が6~12kgもある箱を170cmの高さまで持ち上げる過酷な作業をしていました。この問題を解決するために、垂直多関節ロボットを中心としたパレタイズシステム(パレット積みと荷下ろし作業)を構築しました。その結果、女性作業員の負担軽減に繋がり、さらに作業効率も1.25倍向上しています。


【サービス業界】スーパーの飲料陳列と在庫管理を自動化
あるスーパーマーケットでは、飲料棚の在庫管理と陳列にかかる大きな人的コストが課題となっていました。そこで、残数測定やバーコードを読み取ってラベルの表裏を感知できるように、センサーを搭載したロボットを開発しました。試験的な導入だったこともあり、完全な移行にはなりませんでしたが、従業員の単純作業を無くし、作業効率の向上や人件費削減につながる見込みが立ったそうです。

【食品業界】ベテランに依存していた串刺し作業の自動化
焼鳥の加工工場では、串刺し機への投入作業が人手で行われてきました。形や重量、向き、順番などを整える作業はベテランの経験にもとづいて行っていたため、自動化は不可能だと考えられていました。そこで、3次元画像処理が可能なセンサーと2台の水平多関節型ロボットを活用し、串刺し機へ投入するようプログラミングを行いました。その結果、作業員の人数を3名から1名に削減し、一人あたりの生産性は2.5倍向上しました。

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2022年08月29日

3Dプリンターのメリット

1.コスト削減と開発期間の短縮
外注に依頼していた試作品も、3Dプリンターを導入すると、社内で開発が完結します。外部とのやり取りが排除され、開発期間を大幅に短縮することが可能です。さらに、試作工数とコストを削減できることもメリットです。


2.アイデアの創出
ひらめいたデザインを造形することで、アイデア創出の場が増えます。現場で創出したイメージがすぐに完成します。

3.設計品質の向上
手軽に造形できるため、細かい形状や動きの確認が容易になります。複数のパーツを組み立てて作っていたものも、3Dプリンターを使うことによって接合部のない1つのものとして完成させることが可能です。そのため耐久性も強化され、全体の品質の向上につながります。


4.セキュリティーの確保
試作品の製造を内製化することによって、外部にデータを持ちだす必要がなくなります。そのため、セキュリティー面の向上にも役立ちます。

5.商品開発の幅が広がる
今まで実現できなかった形状が3Dプリンターでは作成可能です。試作品が気軽に造形できるため、商品開発の幅が広がるのもポイントです。

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2022年08月22日

3Dプリンターによるものづくりの流れ

3Dプリンターにはさまざまな造形方式がありますが、ものづくりの流れ自体はほとんど同じです。そのため、基本的な流れやポイントを知っていれば、どの3Dプリンターを使う場合にも役立ちます。

本記事では、3Dプリンターにおける基本的なものづくりの流れを前工程・造形工程・後工程の3ステップに分けて、押さえておきたいポイントとともに解説します。

前工程
前工程では、3Dプリンターで造形したいものの3Dデータを準備していきます。

3Dデータは、3DCADソフトや3DCGソフトを使って作成するのが一般的です。自分で一から作成しなくても、2DのCADデータを3DCADデータに変換したり、3Dスキャナで現物をスキャンして3Dデータ化したりする方法もありますが、3Dプリンターの性能や自分の用途に合わせて最適化するためには、3Dデータ自体を作成・編集できる方が望ましいでしょう。

また、インターネット上にある無料の配布サイトからダウンロードして使用するという方法もあります。この場合は、商用利用が禁止されているケースもあるため、注意が必要です。


3Dプリンターによるものづくりにおいて、大元となる3Dデータの質は極めて重要です。3Dプリンターは形状の自由度が高い点がメリットではありますが、そうは言っても、造形しにくい形状や精度が出にくい形状は存在します。3Dデータの設計時には、次のようなポイントを押さえておくと良いでしょう。

事前に使用する材料を選定しておき、材料の特性に合わせて設計を行う
強度面を考慮して、最低でも1mm以上の肉厚を確保しておく
サポート材の使用量がなるべく少なくなるように工夫する
寸法精度が求められる箇所は、材料の収縮率を考慮して補正をかけておく
3Dプリンターでのものづくりには、ある程度の慣れも必要になります。試行錯誤してノウハウを蓄積していけば、造形物の品質は向上していくでしょう。

造形工程
造形工程では、前工程で作成した3Dデータを3Dプリンターに読み込んで出力設定をした後に、実際に造形を行っていきます。

多くの場合、3Dプリンターごとに専用のソフトウエアが用意されているので、それを利用して出力設定をすることになります。設定できる項目は機種によって異なりますが、おおむね次のような内容です。

設置方向
設置数
積層ピッチ
材料の密度
造形速度
サポート材の有無
これらの設定次第で、造形にかかる時間や品質は大きく変わります。例えば、積層ピッチを小さくすれば造形物の表面が滑らかになり、寸法精度がよくなる傾向にありますが、造形の時間は長くなります。反対に、積層ピッチを大きくすれば早く造形が終わりますが、寸法精度は悪くなる傾向にあります。それぞれの設定内容が何に影響するのかを正しく理解した上で、造形物に求める機能や用途に合わせた設定を心がけましょう。


出力設定が終わって造形が始まった後は、基本的に全自動で造形が行われます。造形が終わるまではやることがなくなるため、別の作業ができるのも3Dプリンターのメリットです。最近では、3Dプリンター自体が造形条件を自動で制御してくれる機種も登場しているため、造形中のトラブルなどは軽減される傾向にあります。

3Dプリンターの性能や出力設定、造形物のサイズにもよりますが、造形が終わるまでには長い時間がかかります。しかし、造形自体は全自動で行われるため、帰宅前にスイッチを押して夜間に造形しておき、翌日出勤したときには完成している状態にすることも可能です。このように、夜間や休日をうまく活用していけば、3Dプリンターによる試作や生産の効率化を図ることができます。

後工程
3Dプリンターでは、基本的には後工程として仕上げ作業が必要になります。具体的には、余分な材料やサポート材を取り除く、表面を研磨して滑らかにする、といった内容です。

後工程の作業内容は造形方式や材料によって異なるため、それぞれに必要な作業内容を覚えておきましょう。樹脂3Dプリンターの場合、サポート材の除去方法は、手作業で物理的に取り除くケースと、専用の薬液や熱処理炉などの設備に入れて溶かすケースの2種類に大きく分けられます。特に前者の場合、造形物が極端に小さかったり、厚みが薄かったりすると、作業中に破損する恐れがあるため注意が必要です。上述した前工程での設計時には、後工程の作業性も考慮しておくべきといえるでしょう。

場合によっては、塗装や熱処理などでさらに後工程が続くこともあります。

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2022年08月17日

塗装ロボットに使われる産業ロボットの種類

塗装に使われる産業ロボットは機構の仕組みによって次のように分類されます。

この中で、塗装ロボットによく使われる

垂直多関節ロボット
水平多関節ロボット
直角座標ロボット
について順番に解説します。


①垂直多関節ロボット

垂直多関節ロボットは、文字通り、垂直方向に回転する多数の関節(ジョイント)を持つロボットです。

人間の腕と似た動きが可能なため、人の手で行う工程を代用する場合に適しています。塗装作業に柔軟に対応でき、複雑な作業にも適しているのが普及の理由の1つです。

②水平多関節(スカラ)ロボット


ジョイントとリンクが水平で直列につながっている構造のため、アーム動作は水平方向へ移動するのみとなっています。塗装に対してはアーム動作の移動が水平方向へ限定することから平面の塗装を得意とします。

③直角座標ロボット
3軸の直交するスライド軸によって構成されたシンプルな構造で、アーム動作は3方向に動かせます。シンプルな構造のため動作の精度は高い反面、複雑な動作はできないため、塗装に対しても単純な形状に限定されます。

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2022年08月10日

シーケンスロボットとは

シーケンスロボットとは、あらかじめ機械的に設定した動作にしたがって動く産業用ロボットのことです。シーケンス(Sequence)は「順序、連続して起こる順序」を意味し、シーケンスによる制御をシーケンス制御といいます。日本工業企画(JIS)での定義は、「あらかじめ定められた順序に従って制御の各段階を逐次進めていく制御」です。


ベースとなるロボットに後から動作を付けるのではなく、ロボットの設計段階で「このロボットをどう動かすのか」「何のために動くのか」といった部分までプログラムします。

シーケンス制御が使われている例を挙げると次のとおりです。


電子レンジで10という数値を設定する⇒10分温め
コンベアのスタートボタンを押す⇒特定の地点まで製品が移動⇒10秒停止⇒再び製品が移動
またロボットへのプログラム以外にも「照明のスイッチを押す⇒電気がつくor消える」のように、電気回路を用いた簡単なシーケンス制御も存在します。

ロボットも含めたシーケンス制御を用いた装置は、今や日本中の工場で稼働中です。

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2022年08月04日

産業用ロボットを導入するメリット

産業用ロボットを導入する場合、しっかりとした準備が必要です。導入には費用もかかります。それでも多くの工場が導入しているのは以下のようなメリットがあるからです。

(1)ベテランの技術を自動再現する
どんな工場にもベテランしかできない作業があるものです。これをロボットが行うことで、ベテラン作業員の負担を減らし、作業を効率化できます。


例えば肉を叩き、成形し、キレイに整えるという作業をベテラン作業員が数名でやるよりも、3つのロボットで分担することで効率よく食品の下処理ができます。これまでベテラン作業員の出勤日に左右されていた作業ペースを、企業の都合によって調節できるのです。

(2)女性作業員の負担を減らす
女性の軽作業員でも、6∼10㎏ほどある重い部品を高いところへ持ちあげる作業をしていることは珍しくありません。これを産業用ロボットが行えば事故も減らせますし、身体への負担も減らせます。

重労働な作業は男性が行い、身体に負担のかからない作業は女性が行うという役割分担をしている企業は多いですが、人手不足などで実現しない企業も多くあります。ロボットを導入すれば人手に左右されず、作業員に負担のかからない作業現場になります。

(3)在庫管理を自動化する
商品や製品を扱う上で、大切なのは在庫管理です。ロボットを導入し、バーコードを読み取って在庫データをすぐに確認できるようにした企業もあります。自動化することで在庫の管理が行き届いていない状態になるのを防ぐことができますし、人件費も作業負担も減らせます。

これは工場だけではなく、スーパーなどでも活かせます。スーパーは在庫管理と品出しが連携しており、人手がかかるので、それぞれの作業をロボットに任せることで人件費を節約できます。


(4)負担がかかる作業を産業用ロボットに任せる
どんな場面でどんなロボットを使う場合でも、共通しているのは作業をする人達の負担を減らし、安全に働けるようにすることです。

重いものを持ちあげる運送、ケガをする恐れがある溶接、正確さが求められる備品の扱いなどをロボットに任せることで、他の工程に時間と人手を割り当てられるようにします。

とくにミスが許されない検査には、ロボットを使うことで作業員だけではなく、消費者の安全も確保できます。

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