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3D プリンター

Posted by Danny Choo On 日 2014/01/19 21:09 JST In ドール
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これ迄の記事でも触れて来たように、3Dプリンターは僕のライフプロジェクトである末永みらいスマートドールの製作に置いて極めて重要な役割を担っています。

今回は新しくGETしたFormlabs製のForm1 3Dプリンターのレビュー、及び自作ドールの製作にこのプリンターがどう関わっていくのかを紹介していきます。

同製品のキックスタータープロジェクトを支援したのは2012年10月頃で、正直に言うとプリンターは一生届かないものだと思っていました。注文から一年経過してもプリンターが発送される様子は一向になく、Formlabsからの返答は「近々発送されます」のみ。そのうち返信すら届かなくなりました。このメールは2013年12月頃に送料390 USDの支払いを済ませた後に届いたメールで、本文には「Ships Immediately (直ちに発送されます)」とはっきり明記されていました。

Formlabsはお詫びにレジンの割引購入券も送ってくれましたが、今回購入したプリンターには使えないタイプというオチ付きでした。飲めとでも言うのですかね ^^;

Form1が実際に手元に届いたのはその一年後。デカい箱に梱包されていて輸入税はなんと3万円でした。

ただ、Form1が届いたのは良いのですが、その頃には既に神楽坂のDigimode等と言った外注の3D出力業者に依頼し、出力作業の大半は完了していました ><

とはいえ、まだまだ作らなければいけないみらいちゃん用のアクセサリは沢山あるので、到着以来様々な物の製作に挑戦。以前は外注先への小物の出力依頼に約3万円掛かっていましたが、プリンターがある今ならコストはレジン代の500-1000円程度。製造時間とコストを両方短縮できました。

出力用データはAutocad Inventor、SolidWorks、Maya、3ds MaxやZBrush等といった様々な3Dソフトで作成。データは完成後、STL形式(STereoLithography)でエクスポートし、PreFormというForm1用(MacとWindows対応)のソフトウェアで開きます。

手の下の灰色の構造物は支柱と呼ばれていて、ソフトウェアが出力物に合わせて生成してくれます。

ソフトウェア自体の操作は割と簡単で、数回クリックするだけで出力物の調整と支柱の作成ができます。この作業が完了すれば後は付属品のUSBケーブルでパソコンをForm1に接続し、プリンターにデータを送るだけ。プリンターへのデータ転送が完了すればパソコンを外しても大丈夫です。

Form1プリンター付属品のForm Finish Kitです。
光造形では非常に精密な部品が出力できますが、後処理も必要であり、出力物はこのキットを用いてビルドプラットフォームから剥がし、洗浄します。

Formlabsから支給されたクリアレジンです。クリアレジンは1リットル単位で販売されていて、お値段は各ボトル150 USD。費用効果はそこまで良くありませんが、外注先で1リットル分を出力するとなると25万円も掛かるので安いもんです。

レジンの隣に置いてあるのは3D出力物を洗浄する際に使うイソプロピルアルコール。国内であれば東急ハンズ楽天で購入する事ができます。出力物のサイズによりますが、大体2リットルは必要になります。

レジンタンクにレジンを注入中。量は出力物に合わせて調整します。出力物が大きい場合は出力時に定期的にレジンを補充する必要があります。

レジンは粘着質で接触/吸引/飲食厳禁。

レジンは光に反応して硬化する為、光量を軽減するオレンジ色のカバーが設けられています。
また、プリンタータンク内のレジンはカバーが閉まっていれば数週間放置しても大丈夫との事。

Form1はデータ転送完了を待たずに出力開始しますが、USBケーブルを外せるタイミングはちゃんと知らせてくれます。

本プリンターは仕組みとしては、本体下部からレジンタンクの底に向けて紫外線レーザーを照射し、ビルドプラットフォームを少しずつ上げながら、レジンを一層ずつ硬化させるというものです。
出力の所要時間はレイヤーの厚さ(0.1mm - 0.025mm)、出力物の大きさ、出力物の中抜きの有無によって様々。3D出力物はレジン費用と所要時間削減の為に、可能な限り中抜きをする事をオススメします。

Form1の側面ディスプレイには現在の出力状況が表示されます。

レイヤーの厚さにもよりますが、この手の出力所要時間は2-6時間。
手は支柱と共にビルドプラットフォームに付着していて、この支柱は先程述べたPreFormのソフトウェアで生成されます。ただ、支柱生成はソフトウェアが自動計算するので位置を指定する事はできません。

ビルドプラットフォームはPost-Print stepsに記載されている通り、Form1から取り外し、Form Finish Kitの上に乗せます。

液体レジンは安全とは言われていますが念の為、極力肌に触れないように扱います ^^;

出力物は形状問わず、ビルドプラットフォームから剥がすのが非常に難しく、勢いよくすっ飛んで行く事も ^^;

射出成形のように、プラットフォームに突き出しピンが付いていれば、価格は上がりますが、破片が飛んでいく心配はなくなる筈です。

一応、PreForm最新版では改善策として出力物の下にスクレーパーを差し込める溝を作ってくれますが、相変わらず剥がし辛いです。

出力物は未硬化レジンで覆われていて、Rinse Tubで一回イソプロピルアルコールで洗い流す必要があります。

イソプロピルアルコールは出力物洗浄時に臭いが立ち込めるので、ガスマスクが無い場合、窓を全開し、息を止めながら洗浄する事をオススメします。通常マスクでは歯が立ちません。
僕は30秒程容器の中で洗浄し、中に入れて蓋を被せて放置しています。

出力物をイソプロピルアルコールに浸ける時間は特に決まっていないので、放置時は違う作業に専念。

切削加工という機械を用いて木材や鋼材の塊から造形物を切り出す製造方法とは別に蓄積製造という材料を一層ずつ蓄積させ、造形物を作る製造方法があります。

Form1は後者の製造方法で出力し、何百万もする3Dプリンターがあれば話は別ですが、こういったコンシューマー向けの光造形3Dプリンターの出力物にはどうしても「ステップ」と呼ばれる縞模様が残ってしまいます。

ドール製作では先ず支柱を取り除き、サンドペーパーで表面を滑らかにし、その次は鋳造プロセス。最終的にはソフビパーツの大量生産に必要となる銅型作成に使われます。

今度は3D出力したハンドパーツでシリコンの型を作成します。このプロセスは鋳造プロセスとも呼ばれています。型はシリコンが硬化次第、一旦真っ二つに割り、元に戻して熱したワックスを流し込み、3D出力物の複製品を作ります。

3D出力したパーツの複製品です。シリコンの型から取り出した出来立てのワックスは分割線等があるので完璧な複製品ではありませんが、追々滑らかにしていきます。

ソフビを流し込む湯口もこの段階で追加。

理想としては直接ワックスを出力できる3Dプリンターを使いたいのですが、値段が高過ぎて中々手が出せません。外注の3Dプリントサービスでこういった手のパーツをワックスで出力する場合27万円もかかるんだとか!
現時点で僕らが必要とする精度でワックスを出力できるコンシューマー向けの3Dプリンターはおそらく無いのではないかと。

今度は電鋳と呼ばれる手法で型を作っていきます。

このワックスパーツは「マンドレル」と呼ばれていて、各パーツに銅線を巻き、黒鉛の塗布をスプレーして導電性を持たせます。

パーツは全て乾いたら電解槽に浸け、マンドレルの導電性のある表面に銅を付着させ、原子レベルで表面を再現していきます。

ワックスのマンドレルは傷がある場合、型、及びビニールの最終製品にも影響が出てくるので細心の注意を払う必要があります。

銅は数日間掛けてワックスの回りに付着し、型を形成します。ワックスは脱蝋工程で熱して取り除き、型の中に空洞が出来ます。

次は金型を「フライパン」と呼ばれる鉄板に溶接。

そしてソフビを型に注入...

そしてこれが出来あがった最終製品。この金型からは約1万回程劣化無しでソフビを引き抜く事が可能です。

鋳造と電気めっき工程では収縮が起こるので、3Dパーツは実物より5 - 6%大きく出力する必要があります。
実物と同サイズでパーツを出力した場合、金型から出てくる手は5 - 6%小さくなってしまいYou Wa Shockで泣く事に...。

収縮はあらゆる鋳造/型に起こる現象なので、素材ごとの収縮率を把握しておくのは大事です。

東東京の工場にて3D出力>鋳造>電気めっき工程を経て製造されたボディパーツ全種。以前投稿したあなたもメーカーになれる理由。大量生産への道の記事ではこの工程についてより詳しく書いたので、気になったらチェック。

バリはクラフトナイフやメスで手作業で切り取ります。現在はこの工程を自動化できないか模索中。

閑話休題。Form1 3Dプリンターのビルドプラットフォームは購入当初は滑らかな表面でしたが...

...次第に傷だらけに。3D出力物は容易にビルドプラットフォームから剥がす事が出来ないので、表面が一定以上傷ついたら新しく買い換えないといけないのかもしれませんね。ちなみにこのビルドプラットフォームは偶然にも別売りされている模様。

レジンは光に反応して硬化する為、長期間使用しない場合は暗所に保管する必要があります。以前は遮光ボトルに保管していましたが、今はそのままトレーに入れた状態でクリングフィルムを被せ、遮光ボックスの中に保管しています。

Formlabsはレジンをボトルに戻さないようにと勧告していましたが、特に問題は無いかと。

スマートドールプロジェクトではForm1プリンターでこんな使い方もしています。
先ずはAutocad Inventorで3Dメカハンドを製作して、PreFormのソフトで展開。
次は支柱を作成し、ビルドプラットフォーム上の出力位置を指定。3Dプリンターでは同じ箇所に何度も出力すると、度重なるレーザーの集中照射で次第にレジンタンクが曇り、出力失敗の要因となります。

タンクはどう対処してもいずれ曇ってしまいますが、プラットフォーム上の出力位置を毎回変えればこれを長持ちさせる事が出来ます。

次はUSBケーブル経由でForm1プリンターにデータを転送。

ハンドパーツは約2時間で完成。表面には未硬化レジンが付着しているのでこれを洗浄していきます。

そして再びスクレーパーとビルドプラットフォームで奮闘 ^^;

このハンドパーツはクオリティを最低に設定して出力しました。設定クオリティは低ければ低い程出力の所要時間が短くなります。
しかし、見ての通りこのプリンターは一番低い設定でも他の家庭用プラスチック押出形式(熱溶解積層法)プリンターより優れている事が伺えます。

普段からガンプラやコスプレ衣装を製作している人なら自分でカスタムパーツを設計/出力できるのでかなり恩恵が得られる筈です。Form1の出力可能サイズは125 x 125 x 165mm(4.9 x 4.9 x 6.5 インチ)でスマートドールのパーツは大体全部出力出来ます。

3DプリンターさえあればFigmaやDollfieのパーツが破損しても、替えの部品を出力するだけで修理完了。次にやりたいのは自分用のカスタムメガネの設計/出力ですかね。サイズを縮小すればドール用のメガネも出力できる筈です ^^;

支柱はプライヤーで簡単に切除できます。

支柱の接点のサイズはPreFormソフトウェアで設定可能。支柱は大きければ大きい程安定して出力できますが、その分支柱の切除跡も大きくなってしまいます。

今回はスマートドールマニュアル版に埋め込まれるミライフレームと新たに作成したハンドパーツのフィット感を確認する為に出力しました。このハンドパーツは当初作る予定はありませんでしたが、フレームがキットとして別売りされる場合、頭部や手が無いと違和感があったので新たに作成。

このフレーム用の手と頭部追加は射出成形の金型の大部分が出来上がった後から決めたので、使えるスペースは極僅か。なので念の為パーツを3D出力し、見た目や金型に収まるかどうかを確認する必要がありました。

そして新たにデザインしたフレーム用頭部はこんな感じ。サイズは抑えてロボット感を出したかったのでデザインはシンプルに。

頭部パーツはフレームに良い感じにフィット。ちなみにこの頭部パーツはスターウォーズクローンウォーズのバトルドロイドのように180°回転できます。

本記事のフレームは「T2」と呼んでいて、現段階では金型が開発途中の為、隙間があちらこちらにあります。T4にもなれば隙間の無い、完璧なフレームが出来上がる予定。

ミライフレームにハンドパーツを付けるとこんな感じ。結構クールな感じに仕上がっているのではないかと ^^;
次のステップは射出成形の金型の加工です。頭部とハンドパーツをフレームと同じランナーに配置すれば全く同じ素材や色で作る事が出来ます。

時折、出力が失敗しますがその原因は様々。一つは出力後のレジンタンクの洗い忘れ。レジンタンクの底には硬化したレジンがよく溜まるので洗浄必須です。

考えられるもう一つの理由はビルドプラットフォームの不十分な洗浄ですが、実際これが出力に影響を及ぼしているかどうかは確認できていません。3D出力は何時失敗するか分からないので、何時でもキャンセルできるよう出力状況を見張っておく事をオススメします。そのままにしておくとレーザーがタンクに照射し続け、訳の分からない物体が出来上がってしまう事も。

また、レジンタンクの底にはシリコンの層があり、硬化したシリコンを取り除く際はこれを極力傷つけないよう注意を払う必要があります。

Form1ではかなり小さい物まで出力できますが、みらいちゃんのヘアクリップのような薄い物となると出力物は乾燥後も柔らかく、簡単に曲がってしまいます。上の写真はデータをProtomoldに送る前に、クリップ背面の穴にマグネットが収まるかどうか確認したかったので出力したものです。
Protomoldにデータを送れば、より安価なPOM製(ポリアセタール)のヘアクリップを数千個作れる金型を作ってくれます。
Protomoldに送るデータはSTPフォーマットでなければなりません。

今度はみらいちゃんのソーラーマリーン制服用のヘアクリップをテスト出力。

3Dプリンターはスマートドールオートマチック版の製作でも活用され、イオンフレーム開発時には3D出力したケースを使っていました。この部分は追々射出成形で作成されるようになります。

サーボモーターも完全自作で、ケースと歯車は3Dプリンターで出力しました。歯車は最終的に鉄製の物を使用します。

3Dプリンターの他の選択肢として、資金的に余裕があればDigital Wax Systemsはかなり良いチョイスですね。

上の写真はグッドスマイルカンパニーのオフィスで撮った古いモデルですが、5000 USDあればゴムも出力できる最新モデルのXFab laser printerも手に入ります。

コンシューマー向けのMakerbot Replicator 2熱溶解積層法という方式で作品を出力してくれます。資金が限られていて、表面の仕上げにそこまで拘りが無い場合はこういった3Dプリンターが勧められます。

Makerbot Replicator 2の本体価格は2208 USDで、材料は1キロ当たり43USD ~ 130USD。下記動画では同製品が稼動している様子が伺えます。

現在の世界の3Dプリンター市場のシェア率は日本が0.3%、アメリカが70%、ドイツが17%、そして中国が3%と推移していて、話によれば日本経済産業省(僕が委員を務めているCIICの主催元)は補助金を出す等して日本のシェア率を高める対策に乗り出しているそうです。上の写真のOpen CubeSCOOVO 3Dプリンターがこの援助を受けているかは分かりませんが。

SCOOVOもMakerbotと同じく熱溶解積層法式です。
出力サンプル品は見ての通り、ディテールが粗く、鋳造や電気めっき工程で使うとなるとサンドペーパーで表面処理しなければなりません。
ただ、出力物が大きく、ディテールや表面にそこまで拘る必要がなければ、より安価な熱溶解積層法式のプリンターで十分かもしれません。Form1とは違ってメンテナンスも殆ど必要無いようですし。

Form1の本体価格は3299 USDでレジンの材料費は1リットル当たり149 USD。送料は日本宛で390 USD。更に輸入税で300 USD掛かったのでトータルコストは4130 USDでした。
Form1はそれなりのコストが掛かりますが、鋳造と電気めっきに必要なディテールを作る事ができ、スマートドールのボディパーツや小さなアクセサリーの開発にも活用できます。

ただ、スマートドール用の家具や乗り物の開発となるとSCOOVOやMakerbot等と言った熱溶解積層法式のプリンターの方が費用効果が高くなってきます。

Form1は卓上に置いても見栄えの良い洗練されたデザインで、オフィス内のMac製品と良く合うマット仕上げの銀色の表面が特に気に入っています。おまけにカバーはみらいちゃんのテーマカラーのオレンジ色 ^^;

本プリンターの購入を検討している方には忠告ですが、Form1は高コストに加え、対応が微妙なカスタマーサービスも考慮する必要があります。サービスの悪さは商品の発送で特に目立ちました。これまで返信が無かったメールは多数あり、あっても事務的な返事しか返って来ませんでした。

Formlabsの今後の課題は先ず目安を設定して、守れない約束は作らない事ですね。長い沈黙や「現在発送中です」というメールを何度も貰うより、「一年後に発送されます」という知らせがあった方がまだマシでした。

Form1のヘルプセンターも質問の答え方が曖昧で、これがレジンの話題になると特に顕著。プリンター利用者にわざとレジン、レジンタンクやビルドプラットフォームを余計に買わせる為に曖昧な返答をしているのではないかという印象を受けました。

PreFormで支柱の作成位置を調整出来ないという点にも不信感を感じました。PreFormでは他の3D出力ソフトが指定しないような箇所に支柱を作成するので、これはなるべくレジンの消費量を増やし、利用者により多くのレジンを買わせる為に仕掛けた仕様なのではないかと邪推してしまいました。材料はFormlabs製のレジンしか使えないので尚更です。

とは言え、グーグル先生さえいればForm1のカスタマーサポートに頼る必要はありません。高品質な商品と劣悪なカスタマーサービス、劣悪な商品と高いカスタマーサービスの二択だったら僕は前者を選ぶので今回は結果オーライ、という前向きな考え方をする事にしました ^^;

ところで、皆さんの中で3Dプリンターの購入を検討している方はいます?学校、または職場で3Dプリンターが使えるという方はいます?

近々投稿予定の記事では、スマートドールマニュアル版のミライフレームの射出成形の金型作成で3Dプリンターがどう活躍したかを紹介しようと思います!舞台は東京から新幹線で数時間の距離の山形県。

みらいちゃんも冬服を着込んで同行 ^o^

ミライフレーム用の射出成形の金型は今のところこんな感じ。請求書には1600万円の表示が ><
アマゾンとマイクロソフトで働いていた頃に貯めていた貯金が残っていて助かりました。

完成品はこんな感じ!ランナー(別名ゲート)及びパーツはメカキットファン向けにキットとして別売りもする予定です ^^;

その他のスマートドールの製作関連の記事は下記一覧からご覧になれます。

発売しました!こちらで購入できます > http://smartdoll.jp

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