月: 2021年9月

ナイロン3Dプリンターとは

ナイロン3Dプリンターとは、ナイロンをフィラメント材（3Dプリンターの使用材料）に使用し、3次元CADデータ（STLデータ）から立体的な造形品(パーツ）を製作する装置です。

ワークを製作する方法は大きく2種類あります。一つはFDM（Fused Deposition Modeling/溶解積層法）と呼ばれる方法です。
これはフィラメント材を高熱で溶解・溶出しながら2次元の薄い材料の層を積み重ねて設計データ通りに形状を作り出します。

もう一つは、SLS（粉末焼結積層造形）と呼ばれる方法です。
これは粉末状のフィラメント材にレーザー光を照射して加熱焼結して目的の形状を作り出す方法です。

特にナイロン材料は、機械的強度が高いため精密機械や自動車部品を製作する場合に用いられます。

ナイロン3Dプリンターの使用用途

ナイロン3Dプリンターの使用用途には次のようなものがあります。

1. 試作品（プロトタイプ）
   ・ナイロンの用途として、機能的な性能を追求する試作品に使用されます。
   　例えば、形状サンプルだけでなく製品の機械的強度、薬品耐久性、及び衝撃耐久などの性能テストに使用されます。
2. 治工具関連
   ・ナイロンの耐摩耗性や高い機械強度から生産工程に使用する治工具の製作に使用されます。
3. 最終製品（主に部品）
   ・自動車分野や航空宇宙分野で使用される部品に使われます。

ナイロン3Dプリンターの特徴

ナイロン3Dプリンターで作られた造形品の特徴は次のようになります。

【メリット】

1. 耐熱性
   ・ナイロン材料で製作されたパーツは高い耐熱性を有しています。具体的には材料の種類により最高80℃の高温にも耐えることができます。
2. 耐衝撃性
   ・ナイロン材料は一般的に耐衝撃性が高いです。特に熱可塑性樹脂の中でも高い耐衝撃性を有しています。
3. 引張強度（靭性）
   ・この材料は高い靭性があるためパーツに力を加えると初めは弾性変形しますが、その形状を保ち簡単には割れません。

【デメリット】

1. ナイロン自体は吸湿性が高く、そのためパーツが不良品となる
   ・パーツ不良発生防止のためナイロンを乾燥状態で保存します。
   　そのため、材料保管は乾燥容器を使用し、プリンター自体も乾燥した室内で使用します。
2. パーツ反り
   ・材料自体が吸湿すると造形中に変形する恐れがあります。
3. 層間密着不良
   ・FDM式では、吸湿した材料を使用すると出来上がったパーツ内の層間接着強度が低下します。
4. 機械的強度が低下
   ・乾燥した材料によるパーツの耐衝撃性、耐摩耗性は高いのですが、吸湿材料を使用するとその特性は失われます。

カラー3Dプリンターとは

カラー3Dプリンターとは、造形材料を2次元の断面状に積層し、3Dデータに基づいて立体モデルを造形する際に、インクジェット方式で多色にする製造機です。従来の熱積層や光造形技術にカラーインクジェットプリンターの技術を組み合わせることにより、数千～数百万色のフルカラー造形物を作ることができます。

造形材料はABS樹脂やアクリル樹脂が使われます。型が不要のメリットがあり、直接立体モデルを作る過程でカラーインクによる着色を行います。

例えば写真を見せて商品などを説明するよりは、実物カラー立体像を手に取らせる方が迫力大で説得力が増します。

カラー3Dプリンターの使用用途

カラー3Dプリンターは、型を作って製造するのではなく、造形物の3Dデータを基に造形材料の薄い層を少しずつ積層して硬化することで、直接立体像を作ります。試作を敏速に行って、開発期間の短縮や開発の効率向上、コスト低減が可能です。特に多品種少量生産に向いています。

小型の造形品に特化した低価格で操作が簡単な卓上型製品も登場しており、例えば学校教育では創造力の育成に威力を発しています。カラーにすることでメリットが増大します。また、商品開発時にデザインの検討、色の追求や使い勝手のチェックなどが、実物を手に取って容易に行えます。

カラー3Dプリンターの原理

3Dプリンターの造形原理は数種類ありますが、特に熱溶解積層方式及び光造形方式でインクジェットと組み合わせることでカラー化でき、カラー3Dプリンターの原理となります。複数のインクノズルから各色のインクを射出して、造形材料の薄い層に色を付けます。

熱溶解積層方式は、熱で溶解した造形材料をノズルから押し出して積層して冷却する造形法です。造形物の3Dデータを使用して目的とする形状にします。材料は熱可塑性樹脂のPLA（ポリ乳酸）、ABS、PC（ポリカーボネート）、ナイロンなどが使用できます。カラーインクを吸収できる材料が必要です。カラーインクを射出する方法は、カラーインクジェットプリンターの技術が使われます。

光造形方式は、ノズルから押し出された造形材に紫外線レーザーを照射して樹脂を一層ずつ固化させます。表面が滑らかで高精細という特徴があり、造形材は光硬化性のエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などが使用されます。カラーインクもアクリル系樹脂を使って光硬化させることで強度を確保します。

カーボン3Dプリンターとは

カーボン3Dプリンターとは、カーボンを加えた造形材料を2次元の断面状に積層し、3Dデータに基づいて立体モデルを造形する製造機です。　カーボンにより強度を飛躍的に向上させることができます。

長繊維のカーボンファイバーを織り込む方法では、アルミニウム並みの強度が得られます。カーボンのほか、ケブラーやグラスファイバを使用できる製品もあります。

軽量で高強度の特性を活かして、ドローンの部品、ラジコンの部品、治具、スクリューやプロペラなどに使われます。

カーボン3Dプリンターの使用用途

カーボン3Dプリンターは、軽量、高強度のメリットのほか、耐熱性、安定性、精度、復元力、耐衝撃性、熱伝導性などに優れています。また、開発期間の短縮、設計構想の即時試作、多品種少ロット生産といった3Dプリンターのメリットも備わっていますので、多くの企業で開発業務に多用され始めています。

樹脂を材料とする通常の3Dプリンターを使用した製品では強度不足や耐熱温度不足になる場合、金属材料を使用すれば良くなるのですが、設備やコスト面の問題が出てきます。樹脂材料のままでカーボンを加えることで、問題が一挙に解決できます。

カーボン3Dプリンターの原理

3Dプリンターの原理は、造形材料の薄い層を積層して液状の樹脂に紫外線レーザーを当てて少しずつ硬化させる光造形方式や、熱で溶融させて積み重ねるFDM方式などが多く使われています。光造形はFDMに比べ、表面が滑らかになる利点があります。他にインクジェットに類似した材料噴射方式や接着剤噴射方式もあります。また粉末状の材料にレーザーを照射して焼結させる粉末焼結方式は、金属材料も使用できる特徴があります。

カーボンを樹脂材料に加える方法の一つは、樹脂材料と強化材とを別々に供給し、3Dプリンター本体の内部で材料を複合化して一つのノズルから複合材料として押し出す方式です。

強化材にはカーボン以外の材料も使われます。長繊維のカーボンファイバーは軽量で最高の強度、熱伝導率が得られます。グラスファイバーはコストパフォーマンスに優れ、重量はカーボンファイバーの2倍程度、強度は40％位です。105℃の耐熱性がある高耐熱グラスファイバーもあります。さらに、ケブラーは柔軟性、耐摩耗性に優れ、耐衝撃性が高い特徴を有しています。

ナノ3Dプリンターとは

ナノ3Dプリンターとは、3Dプリンターの種類の中でも100ナノメートル（0.1μm）単位の解像度を誇る精密3Dプリンターを表します。

ナノスケールでの造形が可能となっており、従来の3Dプリンターでは製作することのできなかった顕微鏡レベルの造形物を制作することが可能です。

また、重ねた層の接合が薄く滑らかなため、表面粗さにおいても非常に滑らかな表面を得ることが可能なので、小さな部品でも精度の良好な製品を作ることができます。

ナノ3Dプリンターの使用用途

ナノ3Dプリンターの技術が用いられている分野は多岐に渡ります。

例えば、精密さが要求される医療分野をはじめ、フィギュアなどのミニチュアアートといった芸術、エンターテイメント業界においてもナノ3Dプリンターが近年活躍しており、新たなアート作品として盛り上がりを見せています。

また、電子回路の基盤といった小さな部品の集合体において接合面の精度向上により、接続不良といった電子機器の不良を低減させる効果も今後期待されています。

ナノ3Dプリンターの特徴

安価な3Dプリンターに使われるFDM(熱溶解積層）方式では、積み重ねた層の継ぎ目が粗く造形物の精度に難があるため、紫外線に反応して固まる液体エポキシ樹脂に紫外線レーザーを当てて固めながら造形していく「光造形」方式が用いられています。

光造形式のメリットは、造形スピードが速く、FDM方式のように材料が高温にならないので収縮が起こりにくいメリットがあります。

また、積層痕が目立たないため滑らかな表面を得ることができますので塗装がしやすく、フィギュアや模型製作に向いています。

さらに、アクリル系樹脂を用いて透明度の高い造形物を作ることができますので、車のライトといった試作品の制作に使われています。

デメリットとして、紫外線に反応して硬化する特性のため直射日光に弱く、保管する際には必ず冷暗所にて保管する必要がありますので、保管にコストがかかってしまうことが挙げられます。

また、加工後の研磨やコーティングといった後処理に手間がかかる欠点もあります。

金属3Dプリンターとは

金属3Dプリンターとは、PCなどで作られた3Dデータを基に溶かした金属を用いて部品をプリンターのように造形していく金属加工方法です。

金属3Dプリンターの技術は、切削加工などと比べてまだ普及が進んでいませんが、5軸マシニングセンタを用いた精密加工よりも更に複雑な形状の加工、切削工具が届かないような形状でも制作することができ、徐々に費用対効果が高まっていることから、近年導入する企業が増えています。

金属3Dプリンターの使用用途

高性能が求められる自動車部品や航空、宇宙といった産業部品、更には医療の分野において金属3Dプリンターが用いられます。

例えば航空機のジェットエンジンに使われる燃料噴射ノズルや、タービンブレード、ロケットエンジンの部品といった複雑な形状の部品から、自動車産業においては軽量化や電動化のために3Dプリンターを使った部品制作が進められています。

また、医療では人工関節のインプラント造形において使用されています。

金属3Dプリンターの特徴

金属3Dプリンターには、主に3つの方式があり、それぞれ特徴が違います。

パウダーヘッド方式

10μm〜60μm程度の小さな球状の粉末を敷き詰め、敷き詰めた粉末に電子ビームやレーザーを照射し、必要な部分のみを溶かして固めていき、形を造形していく方式です。

現在の金属3Dプリンターでは最も主流となっている方式で、寸法精度が高いのが特徴ですが、制作に時間がかかるのが難点です。

指向性エネルギー堆積法

金属を溶かすための熱源にレーザーを使用し、ノズルから金属粉末を噴射したものを中心のレーザーで照射し、金属を溶かしながら噴射することで造形していく方式です。

3軸（XYZ）の長さを変更することで大型の部品にも対応でき、摩耗した金型の部分的な肉盛り補修（レーザークラッディング）も可能な柔軟性の高さが特徴です。

FDM方式

熱によって柔らかくなる「熱可塑性樹脂」と金属粉末を調合したものを押し出し、何層にも重ねて造形していく方式です。

比較的安価ですが、脱脂作業が必要なのと、焼結時に収縮するため仕上げ加工が別途必要です。

DSPシステムとは

DSP (英: Digital Signal Processor) システムとはデジタル信号処理を行う一連の演算処理装置 (プロセッサ) のことです。

入力された音声や映像データ、温度、加速度といった情報を高速に解析し、デジタルもしくはアナログ形式として出力することができます。DSPには独立した「プログラムメモリ」と「データメモリ」が搭載されており、これらの間でデータ転送が行われます。

近年ではビッグデータなど、より複雑な演算処理を行うためにマルチプロセッサ構成が進みつつあります。

DSPシステムの使用用途

DSPシステムは高速・高精度の信号処理性能が求められる多くの製品に搭載されています。高速で信号の変調・復調やフーリエ変換、フィルタリングができることから、パソコンや携帯電場、デジタルAV機器、コピー機など、その使用例は多岐に及んでいます。

例えば、スマートフォンの音声認識機能や、医療現場における画像処理ではDSPシステムが使用されます。また、DSPを用いたデジタル制御によりサーバ等の電源回路で生じる負荷の低減にも利用されています。

DSPシステムのその他情報

DSPシステムの特徴

従来は別々のハードウェアで構成した信号処理手法が利用されてきましたが、DSPの登場により大幅な信号処理速度の改善が実現されました。

DSPシステムを用いることで、汎用のマイクロプロセッサと比べて複雑な演算をより高速に実行することが可能です。高速のAD変換器が搭載され、入力されたデータはDSP内部のメモリへと転送されます。メモリにはプログラムメモリとデータメモリがあり、これらの間にはMicro Processing Unit (MPU)が仲介しています。

それぞれのメモリとMPUはバス（信号線）によって接続されており、バスを通じてメモリ間のデータ転送が行われ、積和演算等の処理が施されます。

プログラムメモリとは、データ処理に用いるプログラムを格納し、データメモリとは処理対象のデータを格納するものです。処理されたデータはその後、デジタルデータ、もしくはDA変換されたのちにアナログデータとして出力されます。

これらの工程を含めて百ナノ秒程度というごくわずかな時間で演算処理できるDSPの開発が現在進んでいます。

PLMソリューションとは

PLMソリューションとは、製品の構想段階から設計、製造、販売、そして最終的には廃棄されるまでの全てのプロセスを一元的に管理し、効率化するシステムです。

PLMは「Product Lifecycle Management (製品ライフサイクル管理) 」の略で、企業が製品開発を行う際の様々な情報や工程を一元的に管理しています。それにより、製品の品質だけでなく、製品開発のスピードや効率も向上させることができます。

また、企業の競争力を向上させるためには、製品開発の全工程を通じて情報を共有し、最適な意思決定を行うことが必要です。PLMソリューションは、そのような場面で非常に役立ちます。さらに、標準化や規制遵守も支援しています。

PLMソリューションの使用用途

PLMソリューションは、ものづくりに関わる一連の体制強化を必要とする様々な業界で導入されています。

1. 電気機器メーカー

例えば、電気機器メーカー等では、量産品および特注品の設計・生産ラインを自動化させることで製造工程の効率化と品質向上が実現できます。

2. 精密機器メーカー

また精密機器メーカー等では、機器の修理に必要な保守パーツをPLMの管理により、パーツリストやデータ管理工数の削減につながっています。

最近ではインフラ設備やプラントのメンテナンス分野でも、PLMソリューションの適用が進みつつあります。設備の稼働状況の監視や保守点検の管理にPLMを活用して、効率的なメンテナンスと安定稼働につなげています。

PLMソリューションの原理

PLMソリューションは、製品ライフサイクル全体を一元的に管理するシステムです。ただし、その仕組みを理解すると、更なる効率化と品質向上の機会を見つけることが可能です。

1. データ管理

PLMソリューションの最も基本的な機能は、製品に関する全てのデータを一元的な管理です。これには設計データ、製造データ、販売データ、メンテナンスデータなど、製品ライフサイクルの各段階で生成されるデータ全てが含まれます。

一元的なデータ管理によって、データの検索と再利用が容易になり、設計変更の際のコミュニケーションもスムーズに取れます。

2. プロセス管理

PLMソリューションは、製品開発の各プロセスを管理するためのツールも提供します。これにはワークフロー管理、プロジェクト管理、資源管理などが含まれます。これらのツールを使用して、タスクの進行状況をリアルタイムで追跡し、必要なリソースを確保できます。

3. コラボレーション

製品開発は多くの場合、複数の部門やチーム、さらには外部パートナーとの協力が必要です。PLMソリューションは、これら全てのステークホルダー間で情報を共有し、コラボレーションを促進します。これにより、各ステークホルダーは常に最新の情報に基づいて作業を行うことが可能となります。

4. 規制遵守

特に規制が厳しい業界では、PLMソリューションは規制遵守をサポートします。製品が規制に準拠していることを確認し、適切な文書を生成できます。

PLMソリューションのその他情報

PLMソリューションの登場

PLM (英: Product Lifecycle Management) の手法は、製品の製造にかかわるデータの種類と量が増大する中で、これらを一元的に管理する必要性を受けて導入が進みました。当初は設計・開発部門を中心として、図面や部品表など技術的なデータを管理するPDM (英: Product Data Management) が始まり、製品の設計開発を大きく推進させることができるとして多くのメーカーに導入されました。

しかし、グローバル化の影響により顧客ニーズの多様化が進む中で、設計・開発部門のみならず、製品製造に関わるあらゆる部門がデータを共有する必要性が高まってきました。そこで登場したのが、設計・開発に加え、生産、調達、物流、販売、保守など各部門がもつ情報を集約させるPLMの概念です。

情報をシステム上で管理し、社内の各部門や取引先企業などとも含めて共有ができます。また、AI技術の活用により設計工程の効率化や、標準的なプログラミング言語を用いて他システムとの連携も可能です。