3Dプリンターメーカー向け高性能直動案内機構

WHITE PAPER 3Dプリンターメーカー 向け手引書 高性能直動案内機構 Nippon SCHNEEBERGER K.K.

3Dプリンターメーカー向け 1 高精度直動案内機構の手引き 序論 3Dプリンターの分野は日々進化を続けています。 AM(アディティブマニュファクチャ リング)が爆発的に拡大にするにつれて、新しいプリンターとアプリケーションが日々 市場に登場するため、3DプリンターのOEM製品における設計者や機械関係の技術者、 設計技術のマネージャ職が常に最新の技術を追い続けることは困難な場合がありま す。 設計者は新しい印刷技術とその無数の使用方法に加えて、コアとなるコンポーネント であるプリンターを動かす直動案内システムの新しい開発と重要な機能に遅れを取ら ないようにする必要があります。 このレポートでは、高性能の直動案内における最先端の技術、特に産業用3Dプリンター にどのように貢献するか、そして選択した直動案内システムが必要な剛性、速度、精度 の新しいレベルを確実に提供する方法を考察します。 背景 しかしながら、今日では一部の小型プリ デスクトップレベルを超えるまたは既製 直動案内のコンポーネントは、3Dプリ ンター設計者も徐々に、既存構成に代わ 品を超える独自の試作レベルのプリンタ ンターの正常な動作に重要な役割を果 りボールベアリングまたはローラを備え ーや最新の3Dプリンターは多くの場 たします。それらは、ユニットのプリ たリニアガイドウェイなどより高度な直 合、複雑な産業用途向けに使用されま ントヘッド、ノズル、レーザーまたは 動ソリューションを採用しています。 す。それらは主に工作機械、航空宇宙、 電子ビームの動きを正確に案内する必 自動車、バイオメディカル用途などの部 要があり、場合によっては材料ベッド これらはベルト駆動やロッドシステムよ 品を製造します。また多くの場合、大量 も案内する必要があります。これは光 りもコストが掛かり、平均で約3倍となり 生産され、常に高い一貫性が求められま 造形法と焼結、直接金属レーザー焼 ます。しかしながら、多くの印刷アプリ す。 結、直接金属レーザー溶融、電子ビー ケーションに対するそれらの利点は決定 ム溶融など関連するすべての積層造形 的です。 使用されるプリンターがこれらアプリケ 技術に該当します。 ーション専用である場合は、まったく新 剛性が非常に高いため、振動やバックラ しいレベルの直動案内の性能を実装して 初期の3Dプリンターが最大限の精度を要 ッシュなどプリンターが抱えている煩わ いることを確認する必要があります。し 求しなかったのは事実です。そして今日で しい問題を事実上排除することが可能と たがって、プリンターのユーザーは、製 も、多くのデスクトップモデルはブッシュ なります。また、これらはロッドやベル 造元へ剛性や速度、精度など非常に高度 やベルト駆動またはスチールロッドや基本 ト構成の他の問題を回避することができ で重要な特性を備えた直動案内ソリュー 的なボールベアリングなど3Dプリンター ます。例えば、動きが重過ぎる (動きが ションを提供するよう要求する必要があ のパイオニアが採用したのと同じメカニズ 面粗さや過度な拘束によって損なわれる) ります。 ムを使用して直動機構を構成しています。 または緩すぎる (機構の過度な遊びによ この構成は安価であり、多くの単純な印刷 って動きが影響を受ける) などです。代 工程に適切な制御を提供しています。 わりにリニアガイドウェイの高精度機械 加工公差により、非常にスムーズな動作 が保証されます。

3Dプリンターメーカー向け 2 高精度直動案内機構の手引き 産業用プリンターによく採用される昨今 ができます。目標は、潜在的なリスクを の直動案内コンポーネントにはボール型 回避し、後に修正が困難な性能の低下を 剛性 リニアガイドウェイ、ミニチュアリニア 防ぐことです。 3Dプリンターの直動案内システムの性能は ガイドウェイ、ミニチュアボールねじお 文字通り、 その基盤に掛かっています。 よび直動案内システムがあります。 3. コストに合せた設計 予算は常に最大 の関心事です。サプライヤーに市場価 高い性能が要求される場合、十分な剛 直動機構を統合していくことが継続的なト 格または目標価格を提示してくださ 性または硬度、フレーム構造、材料な レンドとなっています。ガイドレールやス い。適切なサプライヤーは品質や製品 どの要素に最新の注意を払う必要があ ライドに加えて、外部エンコーダを購入し 寿命を犠牲にすることなく、目標価格 ります。全てが達成したい最終的な性 た後、それらの位置調整等で困難に直面す に対応するよう努めます。最終的な目 能仕様と一致している必要がありま るのは何故なのでしょうか？ガイド機構を 標は最適な性能を発揮することです。 す。 指定し、エンコーダを統合した測定システ つまり、最適な性能とプリンターの製 ムにすることで総所有コストを削減しなが 品寿命にわたる総所有コストの最小化 剛性は平面度や真直度などの要素に影響 ら立ち上げ時間とトラブル対応を節約する です。 します。例えば、プリンターメーカーは ことができます。 必要な厚さと適切な硬度を備えたステン 4. 特注オプションを確認 一部の標準的 レス鋼製のリニアガイドレールを実際に また、メンテナンスの簡素化も視野に入れ な既成品のコンポーネントは適合しない はレールよりも薄いアルミニウムプレー て購入することができます。統合された長 か、特定設計において適切な性能を提供 トに取付けようとする場合があります。 期潤滑機能、または拡張された耐摩耗性を できないため、オプションが示されませ 結果として撓みが生じます。(通常、直動 持つ材料などをオプションとして検討し、 ん。課題を持ち帰るサプライヤーは避け 案内のコンポーネントはこれを防ぐため 提案することができます。 てください。代わりに独自の仕様に合わ にx, y, z軸に沿った力に抵抗するように設 せてソリューションを調整できるパート 計されています。) ここでの撓みは、加え ナーを探してください。カスタマイズさ 直動案内の専門家へ依頼する られた力によって決まる方向にレールが れた直動コンポーネントおよびシステム わずかに湾曲することを意味します。こ は、設計プロセス、性能および3Dプリ 多くの場合、3DプリンターOEMに掛けら れは、スムーズな動作と再現性に影響を ンターの総所有コストを改善することが れる人員は限られています。経験豊富な直 与え、製品の均一性を低下させる可能性 できます。 動案内のサプライヤーと提携することで、 があります。 事実上、技術チームを拡大することができ カスタマイズの専門知識に加えて、幅広い ます。プロジェクトを成功させるための最 最高級の直動案内製品でさえ、外部の動き 直動製品を提供しているサプライヤーを見 良の基盤を構築するためにはサプライヤー から影響を受けるベースの上に置いた場 つけてください。低摩擦リニアガイドウェ との協力関係を形作ることが必要です。 合、優れた速度や精度を提供できません。 イやリニアガイドウェイ、リニアベアリン 従来、ほとんどの3Dプリンターは板金のキ グ、ボールねじなどの幅広い製品を活用で 1. 早めの動き出し 検討プロセスの開始 ャビネットやアルミニウム製テーブルなどきる多様性が求められています。このよう の構造体に取付けられてきました。これら 直前にサプライヤーへ連絡した後、秘 なコンポーネントは剛性、速度および精度 は、今日の多くのAMなど産業用積層造形装 密保持契約 (NDA) を締結し, 直動に対 を備えたシステムに高度に組み合わせて、 置で許容できる剛性を提供できません。代 必要な性能を提供できます。 する要求内容をできる限り迅速に定量 わりに多くの直動案内のサプライヤーは剛 化して理解してもらいます。これによ 性の高い鋼鉄構造または石定盤ベースを推 奨しています。 り、サプライヤーは検討の最初から最 終的な設計の凍結まで適切なソリュー ションを検討、提案するための時間と 視野を確保することができます。 2. 性能に合せて設計 サプライヤーは特 定のプリンター設計が示す可能性のある 直動の問題と機会を迅速に特定するよう 努力する必要があります。彼らはトレー ドオフを特定し、代替案を提案すること

3Dプリンターメーカー向け 3 高精度直動案内機構の手引き その他革新的な選択肢: 鉱物とエポキシ 速度 もちろん、これらの要因はプリンターの 樹脂で構成されるベース構造。これらミ 設計に大きく依存します。プリンターが ネラルキャストベースは卓越した振動減 直動案内システムの移動速度は基本的に 製造している特定部品の材質、形状や厚 衰、強力な耐薬品性および優れた熱安定 プリンターの生産速度を決定します。 さ、精度およびその特性や選択する直動 性を備えたプリンター用ベッドを提供し 案内のコンポーネントなど。 ます。ミネラルキャストは特殊形状の開 もちろん、一部のプリンターでは変形など 口部、スペースや配線経路などそれぞれ の問題を防ぐためにかなり遅い速度が必要 一般的には最適な構成での今日の高性能 のプリンターが必要とするあらゆる輪郭 です。また、過度の移動速度は振動による 直動案内システムでは非常に正確な位置 および寸法に対応した成形を行うことが フィラメントのブロビングに対する層の接 でも50msec以下の一定速度でステップ できます。また、ミネラルキャストは鋼 着欠如まで、様々な問題が発生する可能性 アンドリピートを達成できます。これに 材、ねずみ鋳鉄または鋳鉄よりも技術 があります。ほとんどの場合、造形剤の製 より、非常に高速な移動が可能となり、 的、経済的および環境面で明確な利点を 造業者は可能な限り、速度を最大化するよ 現在使用できる最高速の産業用プリンタ 提供することができます。 う直動案内のサプライヤーへ依頼します。 ー (1秒あたり最大1000mmでの動作)を 実現しています。 予測される負荷とプリンターの構成に したがって、一部のアプリケーションで ついて直動案内のサプライヤーと早期 は最高の生産性を実現するために直動案 特定のアプリケーションで何が達成でき に話し合い、特定の操作の全ての力と 内の要素ができる限り速く加速すること るかについては直動案内のサプライヤー 条件に耐えるようシステムを設計でき が重要です。しかしながら、は多くの場 へご相談ください。 るようにします。 合、整定時間がもう一つの主要な測定基 準となります。整定時間: 稼働部品に取付 けられたレールまたは他のコンポーネン ト (印刷またはビームヘッド、材料ベッド など)が各加速ステップ後に感知できる振 動が無く、静止するまでに掛かる時間で す。

3Dプリンターメーカー向け 4 高精度直動案内機構の手引き 精度 実際、多くの3Dプリンターアプリケー 多くは、特定のプリンターの設計およ ションでは、高性能工作機械で従来必 び印刷する必要のある部分によって異 直動案内装置を選択するときは位置精度 要とされていた直動案内機構の精度レ なります。さらにサプライヤーは直動 と再現性、つまり3Dプリンター/積層造形 ベルへ移行してきています。100μmレ 案内システムの剛性、平面度、荷重/予 の設計が要求する精度を考慮してくださ ベルの精度を達成するプリンターの構 圧、構造材料から動作温度、振動/共振 い。これは、精度、再現性、分解能など 築に慣れてしまっている場合、それを の可能性までの問題に対処し、一定の 最終性能のいくつかの重要な領域に影響 大幅に改善する方法が分からない場合 速度やストローク長などの要素を考慮 を与えます。 があります。また、積層造形技術が進 する必要があります。しかし、適切な 化するにつれて、一部のアプリケーシ 条件下では、今日の優れた直動案内シ 所定の公差または平面度/滑らかさの仕 ョンでは半導体製造装置用の超高精度 ステムにより特定の3Dプリンターで 様を達成するため、印刷後の仕上げ手 のナノスケール機器を設計されている 0.1~0.5μmまでの再現性精度を実現す 順が作業プロセスに含まれている場 主要な直動案内のサプライヤーのよう ることができます。 合、一次印刷での極端な精度は必要な な、さらに高い精度が求められます。 い場合があります。この範囲のプリン ターに適した直動案内システムは位置 3Dプリンターがこれら後者のグループに 精度を±50または100μmまで下げること 該当する場合は、具体的な要求について ができます。 喜んで相談できるサプライヤーを見つ け、考えられる直動案内ソリューション ただし、ワークピースの内部機能には作業 の正確な機能を比較することで、まった 完了後に簡単にアクセスできない場合があ く新しいレベルの精度達成に役立てるこ ります。さらに業界最先端のプリンターは とができます。 余分な仕上げを最小限に抑えるため、アプ ローチを進化させています。したがって、 全ての部分で正確な寸法と形状を実現する ためには非常に正確な直動案内が必要にな る場合があります。

3Dプリンターメーカー向け 5 5 高性能直動案内機構の手引き 成功事例 事例 2: 低コストで高速、高い品質 事例 4: バイオプリンターの高精度化 中核的な3Dプリンターメーカーは従来 新興の3Dプリンターメーカーでは骨の 3Dプリンターはより複雑な産業用途に適 のCNC加工機からの切替えを検討して 構造を強化するセラミック部品や移植臓 しているため、工作機械、計測、オートメ いる機械加工業を対象としたより新し 器と移植された人間の細胞の成長をサポ ーション、医療やライフサイエンスなどに く、大きく、そして高速なプリンター ートする再生医療用足場材料作るために 搭載されている高度な直動案内機構の品質 を設計していました。プリンターの設 何が必要かを模索しています。シュネー が利用できます。 計では、印刷品質を維持または改善し ベルガーは設計の初期段階からこれらバ ながらコストの削減と運用速度の向上 イオプリンター製造会社と協力して、必 例えば、スイスに本社を置く老舗のグロ が可能な直動案内製品が必要でした。 要な超高精度直動案内ソリューションを ーバル直動案内メーカーであるシュネー シュネーベルガーの技術者達は、サイ 提供する製品と経験があることを実証し ベルガーは、これら用途やその他用途に ズ15のボールタイプリニアガイドウェ ています。最先端の旧世代プリンターで 幅広い直動案内コンポーネントと直動案 イを推奨しました。費用対効果の高い さえ、許容できる速度で50または100μm 内システムを供給しています。今日で 設計により、高速駆動を提供すると同 レベルの位置決め精度を実現できる優れ は、比類のない知識と経験を活かして積 時に低い摩擦とスムーズな走行を可能 た直動案内の機能が必要でした。しか 層造形装置のさまざまな問題を解決して とし 一貫した高品質の造形印刷を実現しまし し、革新的なバイオプリンターのアプリ います。他の直動案内メーカーやシステ た。 ケーションではまったく新しいレベルの ムインテグレータが要求仕様を満たすこ 性能が必要とされます。 とができないと言っても、シュネーベル 事例 3: 公差の改善、振動の低減、 シュネーベルガーの技術者は適切な設計 ガーの専門家たちはその方法を見つけ出 と最適な材料を組み合わせることで、最 すことができます。 コスト削減 高の剛性、高精度の平坦度と真直度、優 積層造形プリンターの製造会社は産業用メ れた等速性を実現し、50~100mmサイズ 事例 1: 既存設計内での限られ タルプリンターの全体的な精度に関する問 のステージで0.5~0.1μmの再現性、1~20 題に直面していました。各部品の許容誤差 μmの精度を達成しています。同じ移動 たスペース が仕様に適合しないことが多く、最終製品 距離のステップ動作においては、各移動 大手のデジタルソリューションを提供する の品質試験で不合格となっていました。製 後50msec以内に整定しています。 会社では既存の3Dプリンター製品内の狭 品の組み直しや製造、再試験を繰り返すこ いスペースに収まるコンパクトな直動案内 とでお客様にとって貴重な時間と費用が掛 ユニットを必要としていました。しかしな かっていました。彼らは直動案内メーカー がら、市場にある標準品を使用するとコン の依頼先をシュネーベルガーへ変更しまし パクトにはなるものの、周辺構造部の再設 た。シュネーベルガーの技術者達は課題の 計を行う必要があり、このコンポーネント あるプリンターを調べ、課題が機械の石定 に対応するためにお客様の貴重な時間と技 盤にあることを見つけ出しました。その製 術/設計のリソースを使用しなければなり 品は安定性を非常に高めた上位機種でした ませんでした。幸い、シュネーベルガーの が、代わりに過度の振動を許容していまし 技術者達は、特殊なリニアベアリングを使 た。解決策として振動減衰性が優れ、構造 用したクロスローラ機構のステージをカス 安定性と低コストを実現できるミネラルキ タマイズすることで、必要なエレクトロニ ャスト製ベースとしました。 クス部と基板への統合と共に限られたスペ ースに確実に適応させることができまし た。

3Dプリンターメーカー向け 6 5 高性能直動案内機構の手引き 積層造形の未来への移行 また、その他産業用途では高精度の直動 案内機構を使用することにより、3Dプ 今日の高度な直動案内システムは、実 リンターで極めて滑らかな表面を作製で 際には既存の3Dプリンター技術が使用 きます。これにより、追加の仕上げ加工 するレベルよりも高い精度を提供でき を必要とせずに密接に嵌合する表面を必 ます。 要とするベアリングやシールまたはその 他部品で機能するのに十分な面精度の部 積層造形が爆発的な発展を続けるにつれ 品製造が可能となります。 て、速度が上がり、効率が向上し、材料が 増大します。多くの3Dプリンターがプラ スチックよりも金属を製造するようになる ほど転換点は確実に近くなります。 したがって、プリンターの直動案内の性 能を拡張する余地がまだあると言えます。 例えば、ディスペンサー機構の動きをよ り小さなスケールで正確に制御する機能 があれば、バイオプリンターはより微細 な細胞構造を製造できるようになります。 静脈組織は2016年に初めて印刷技術によ り製造できることが確認されました。3D プリンターで製造された完全に機能する 人間の臓器はそれほど遠くない将来に実 現すると予測されています。 結論 3Dプリンティング/積層造形の製造数は増加し、独自製品のために高度な直動案内ソリ ューションの利点を模索しています。適切なサプライヤーは懸念や障害を克服し、専 門家による設計、許容可能なリードタイム、総所有コストの削減、信頼性の高い品質 そして、それらに応えるパートナシップなどの利点を提供できます。また、適切な製 品は、真の高性能プリンティングを可能にする剛性、速度、精度など重要な特性を提 供できます。

7 シュネーベルガーについて シュネーベルガーは1923年に最初の転がり要素を使用したリニアガイドウェイを開発して以来、優れた直動案内ソリューショ ンを生み出してきました。工作機械や医療機器の分野、そしてその先へ。その高品質の標準およびカスタマイズされた製品に は、リニアベアリングおよびリニアガイドウェイのほか、エンコーダ内蔵システム、ギアラック、スライド、超精密位置決め ステージ、ミネラルキャストなどが含まれます。 日本シュネーベルガー株式会社 電話: 03-6435-7474 東京都港区虎ノ門3-20-5ク Email: sales-japan@schneeberger.com レイン虎ノ門ビル7F www.schneeberger.com