3次元CAD と 3次元加工の基礎 - 東北学院大学

今回の目的
仙台市/仙台市産業振興事業団
ロボット博士の 基礎からのメカトロニクスセミナー
C23/Rev 1.0
第23回
○ 3次元メカの設計と試作の手段
◇3次元CADによる設計
・ 2次元CADと3次元CAD、3DCADの利点
・ 3次元CADでできることの例
3次元CAD と
3次元加工の基礎
◇3次元複雑形状の実体化
・ 加工手段 切削と積層
・ 3次元プリンタの特性
仙台市地域連携フェロー
熊 谷 正 朗
kumagai@mail.tohoku-gakuin.ac.jp
東 北学院大学工学部
ロ ボッ ト開発 工 学研 究室
RDE
3次元の設計
(言うまでも無く)
基礎からのメカトロニクスセミナー
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基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD を使うことの利点
○ 直接的な設計情報の取り扱い
◇形が直接的
・ 3次元表現のままで進む設計
・ コンピュータ内で組み立て、動作試験
・ 考えに沿った形状の生成
・ 機能や見た目を考えながらの寸法調整
◇データが直接的
・ 3次元加工手段へのデータ渡し
・ 数値データの持つ表現の細かさ
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基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること
NCデータ
紙orCAD
ほぼ手動
半自動
3次元CAD
形状化
3DCGソフト
直接的
要解釈
板金切抜・曲げ
各加工
型
鋳造・射出成形
2Dデータ
MC切削
データ変換
ほぼ直接
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
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3次元プリンタ
基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD を使うことの欠点
○ 様々な負担とリアルな「絵に描いた餅」
◇導入の負担の重さ
・ ソフトが高価 (ものによる:無償~数百万)
・ 活用できるようになるまでの時間(?)
・ 高性能コンピュータ (特にグラフィクス性能)
◇見た目だけが立派になりかねない
・ 製造と乖離した形状設計
・ 「えいや」と決断しにくくなる。
・ 形の想像力が低下する?
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
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基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 形状
○ ものになる寸前まで一通り
◇部品の形状設計と空間的チェック
◇部品の組み立て
◇可動部の動作試験
・ 単なる移動/回転、リンクのような相互拘束
・ カムや摺動のような接触を伴う動作
・ 空間干渉の確認
◇強度計算
・ 有限要素解析による部材の力や歪み分布
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機械切削加工
旋盤、フライス等
頭で3D化
頭で2D化 2次元図面
目的の形
◇近年一般化してきた手法
・ つくる形そのものをコンピュータ内で規定
・ そのデータから直接製造工程へ
・ 設計自由度大幅にup、直感的にわかる
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
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○ 構想から最終的なものの形まで
構 想
◇長らく一般的だった手法
・ つくる物は3次元、図面は2次元
・ 設計者、製造者の頭のなかで変換
・ 表現できるものに限度、読み書きに訓練
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
設計→製造の フロー
○ メカ設計開発は3次元
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
◇設計試作の実例
・ ロボット発進用ゲート機構の試作
基礎からのメカトロニクスセミナー
○ CADの二つの傾向
◇直接モデリング系
・ 基本形状(球や直方体)を用意して、
頂点や面の位置などを変更していく。
・ 3次元CGソフトなどと同じ方向性
・ 感覚的な造形に向く。
・ 機能が限定的な場合あり&無償ものあり。
例)Autodesk 123D, Creo Direct Modeling
◇パラメトリック系
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
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基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 形状
3次元CAD でできること: 形状
20mm
水平
垂直
◇直接モデリング系
対称
垂直
○ CADの二つの傾向
○ 平面形状の規定→立体化
◇平面図の作成
・ まず平面を決めて、1面の形状をつくる。
・ 基準面:座標面、既存の形状の表面
水平
◇パラメトリック系
・ 形状を寸法と拘束によって規定する。
拘束:水平垂直、平行、同長さ、接線など
・ 寸法を変更すると全体が自動変更
・ 機械設計製図に向く。
例)Autodesk Inventor, Solidworks
Creo Parametric (旧 Pro Engineer)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
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基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 形状
○ 立体形状の連結、除去
◇平行掃引、押し出し
・ 面に垂直な方向に伸ばす。
◇回転掃引、回転体
・ 形状を指定の回転軸周りに回転する。
◇他、スイープ、ヘリカルスイープなど
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 10 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 組立(アセンブリ)
○ 実物と同じ発想の連結
◇本体となる形状
◇部品の相互関係を指定=拘束
・ 面と面の密着
・ 面と面の位置合わせ
※面と面の距離の指定
・ 穴、丸棒の中心軸あわせ
◇突起などの追加
◇除去、穴開け
◇面取り(45度、丸み)
◇ミラー
◇配列(2方向、回転)
→ つくりたい形の考えを積み上げていく
&寸法については後で調整できる
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 11 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 組立(アセンブリ)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 12 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 運動解析
○ 実物と同じ発想の連結
○ コンピュータ内で組み立てたメカが動く
◇固定と自由度
・ 面と面の拘束
→摺る方向に自由
・ 2面→直線方向
・ 3面→完全に固定
◇組立後の挙動
・ 固定されていないパーツは動かせる。
・ 拘束条件には従う。
→適切に組み立てれば連動して動く。
◇動かし方の例
→動画
・ マウスでドラッグして動かす。
・ 特定の拘束条件の距離設定を自動で
=物体の運動を表現できる
・ シャフトの回転
・ 直動機構、各種リンク機構など
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 13 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 応力解析 (オプション的)
○ 荷重をかけたときの力・ひずみの分布
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
3次元CAD でできること: 応力解析
○ 例:ジャッキ機構
※応力:面積あたりの力
関心箇所=伸縮部
◇有限要素解析
・ 全体を細切れ(メッシュ)にして、各部の
力のかかり方を解析する。
・ 局所的な力の分布が見える。
◇使い道
・ 壊れないかどうか、壊れ始めそうな箇所
・ 設計の修正:強化、ぎりぎりまでの削り
・ 荷重計算の検証
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 15 基礎からのメカトロニクスセミナー
Page. 14 基礎からのメカトロニクスセミナー
4.68倍
1.0倍
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
4.66倍
0.86倍
Page. 16 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD でできること: 応力解析
○ 例:ジャッキ機構
3次元CAD でできること: 応力解析 (オプション的)
○ 荷重をかけたときの力・ひずみの分布
◇使ってみた印象
・シンプルなモデルでは、他の計算手法と
妥当に整合する。
・ より詳細であるがゆえに、教科書的
手計算手法と食い違うところは多い。
4.68倍
※解析結果が実際に近いはず
水平方向の力
赤:引張
青:圧縮
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 17 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CAD の選定
・ 情報過多で解釈に時間を要する。
→ 参考にはなるが、固執すると危険な印象
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
設計→製造の フロー
○ デファクト無し、選定根拠多様
◇機能、価格などで系統が多い
※2次元はAutoCADやJw_cadが目立つ
頭で3D化
頭で2D化 2次元図面
3次元形状実現の手段
○ 主な手段
◇マシニングセンタ(MC)による加工
・ 回転工具+位置と姿勢の自動制御
◇プレス(金型) 鋳造(およびダイキャスト)
◇射出成形
・ 型を作って樹脂を加熱加圧流し込み
◇3次元プリント手法
Page. 21 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元形状実現の手段
○ 特徴比較:形状の制約
◇MC切削加工
除去加工、切削工具の加工経路が必要
※ある程度内側も掘れる
◇射出成形
金型必須=初期コスト大
整形後に金型が分離できる形状
◇3Dプリント
形状制約はほとんどない
精度、分解能に方式ごとの限度
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
半自動
型
データ変換
3DCGソフト
ほぼ直接
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
板金切抜・曲げ
鋳造・射出成形
MC切削
3次元プリンタ
Page. 20 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元形状実現の手段
○ 特徴比較
◇従来型機械加工
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
各加工
3次元CAD
形状化
※学校系はアカデミックディスカウント
Page. 19 基礎からのメカトロニクスセミナー
NCデータ
紙orCAD
ほぼ手動
機械切削加工
旋盤、フライス等
目的の形
◇選定の根拠の一例
・ 取引先の標準
・ 既存の社内(2D)CADとの互換性
・ 参考情報の多さ (書籍、ネット、人材)
○ 設計データから3次元形状の製造
構 想
◇用途では選びにくい
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 18 基礎からのメカトロニクスセミナー
Page. 23 基礎からのメカトロニクスセミナー
◇MC切削加工
○~◎精度 ×~△生産性 △コスト
一品物、金属品製造に向く
◇射出成形
○~△精度 ◎生産性 ×~◎コスト
樹脂の大量生産に向く (少量は不利)
◇3Dプリント
×~○精度 ×生産性 ○~△コスト
手軽な試作、特殊形状の少量に向く
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 22 基礎からのメカトロニクスセミナー
成形の手段
○ 射出成形・MC加工
◇基本的に自前は困難
70mm
プロトラブズ:
射出成形
◇県の産業技術総合センターにはある。
・ おそらく使い方は学ぶ必要あり
◇外注
・ 例:プロトラブズ社 http://www.protolabs.co.jp/
CADから出力したSTLファイルをWEB送信
→加工の可否の自動判断等
→見積→発注→製品届く (早い&安い?)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 24 基礎からのメカトロニクスセミナー
成形の手段
成形の手段
○ 3次元プリンタ
○ 3次元プリンタ
◇自前で機械を購入
・ ほどほどの精度で良ければ自前も可
◇DMM.make の成形例
◇FabLab SENDAI FLAT で
◇外注
・ 例:DMM.make http://make.dmm.com/
CADから出力したSTLファイルをWEB送信
→見積→発注→成形品届く
・ 機械を導入せずに高級機の出力。
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 25 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタ
◇特殊車輪部品
・ すべてアクリル
・ 誤差0.05mm程度
・ パチンとはまる
・ @2~3千円程度
20mm
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 26 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタの方式
○ 基本的な原理
○ 熱溶解積層法 (FDM, 熱融解~)
◇2次元形状の積み重ね
・ 3次元CADなどからのデータを水平な
薄い層状に分割する。
・ 各層を順番に成形し、積層していく。
(下→上が多い、上→下もある)
◇成形手段の方式で大別される
・ 熱で樹脂を軟化させて盛りつける
・ 紫外線硬化樹脂系
・粉を固める
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
30mm
◇サンプルセット(購入)
・ 石膏着色/チタン/
ナイロン/アクリル
Page. 27 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタの方式
○ 光造形・インクジェット
◇線状の樹脂を加熱して絞り出す方式
・ 近年話題になったタイプ、安価、普及
・ ABS樹脂、PLA樹脂(ポリ乳酸)
・ 本体価格、運用の手間などの面で手軽
◇特徴
○ 安価(導入コスト数万円~)
△ 精度(分解能、形状精度、収縮、表面荒さ)
△ 強度(+積層面、線間で強度が低下)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 28 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタの方式
○ 粉体焼結法
◇紫外線で硬化する樹脂を使用
・ 液中に紫外線照射
・ インクジェット+紫外線
・ 成形物の仕上がりは綺麗だが機械は高価
◇材料の粉末にレーザを照射、固化する
・ 粉を薄くしいて、必要箇所を固める
・ 樹脂、金属
・ 実践的な強度が得られる方式。
◇特徴
△× 高価(数十万円~数百万円~)
○ 精度(分解能、形状精度、表面荒さ)
△ 強度
◇特徴
× 高価(数百万円~)
△ ? 精度(表面荒さ)
◎ 強度(金属)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 29 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタの方式
○ 粉末石膏
Page. 30 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元プリンタ活用の注意点
○ 成形品の特性
◇粉末の石膏を固めていく
・ 石膏に液体を与えて固めていく
・ レーザの代わりにインクジェット
・ 固化と同時に着色可
◇特徴
× 高価(数百万円~)
△ 精度(形状精度、表面荒さ)
× 強度
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 31 基礎からのメカトロニクスセミナー
◇方式ごとの特性に留意
・ 精度、強度、耐久性、コスト
・ 材質の本来の特性とは異なる。
◇他の加工手段との違い
・ 3Dプリンタで作れるが、他の手段では
不可能という形状がある。
= 3Dプリンタで試作する場合にも、
最終的な手段を想定した設計
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 32 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
3次元プリンタ活用の注意点
○ 導入、運用のコスト
参考比較:基板加工
○ 熱溶解式3Dプリンタを導入してみた
◇本当に本体を買うかどうか
・ 熱溶解式以外は本体価格が高価で、
相当回数使わないと元はとれない。
※外注の方が結果的に安い
・ 手元にあれば最速で試作できる。
◇導入の経緯
・ 前から気になっていた。
・ 今年発売のdaVinciが評判:
性能/コストパフォーマンス
・ 部品製作の試み/教育
◇通常のプリンタと同じ傾向
・ 本体価格は機能に比べて抑えめでも
専用の素材の値段が高い場合多し。
◇導入の結果
daVinci
・ ロボットの設計方針が変わった。
・ 多いときは1週間連日フル稼働。
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
XYZprinting 社
1.0
Page. 33 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
Page. 34 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
○ 3Dプリンタのスペックと条件
○ 成形の制約
◇全般
・ 分解能で書かれることが多い(特に積層幅)
例)層0.1mm 層25um 位置決 0.0??mm
◇熱溶解式
・ ノズル径:樹脂を絞り出す線幅
=水平方向の最小の大きさ
≠水平方向の位置分解能
最小幅
幅(大)自由
※0.4mmが多い
間隔は自由(位置分解能)
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 35 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
◇基本的には、上に積んでいく
・ 下が抜けている場合に制約
幅0.4mm
層0.2mm
重なり50%
頂角90度
・ 斜め45度のオーバーハング可
→形状の自由度、ザグリ穴を下にできる
・ φ4位の横穴もまあまあ可
※積層条件による<本機0.2mm以下の場合
・ サポートを入れれば完全な浮きも可
→ サポートの除去が面倒:避けたい
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 36 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
○ 加工変換の例
○ 加工変換の例
◇プリンタ付属のソフトでSTLファイルから変換
・ プリンタによってはオープンソースソフト
・ STLファイル:形状のやりとりに一般的
◇プリンタ付属のソフトでSTLファイルから変換
・ 形状を線材の集合に変換
・ サポート部分の生成
表面の塗りつぶし
シェル
外壁
下抜け形状
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
サポート
Page. 37 基礎からのメカトロニクスセミナー
FDM 式3次元プリンタの実際
○ 3次元メカの設計と試作の手段
◇三つの形状誤差
・ 全体的に僅かに小さくなる:冷却収縮
& 部分的に反りやすい
60mm
過多
・ 外周のはみ出し:0.1mm程大
・ 小さな環構造(穴、突起)は収縮しやすい:
直径で0.3~0.4mm程度
→ 寸法精度が欲しいときは要補正or追加工
リング収縮
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 38 基礎からのメカトロニクスセミナー
今回の目的
○ 性能評価
つぶれ
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 39 基礎からのメカトロニクスセミナー
◇3次元CADによる設計
・ 2次元CADと3次元CAD、3DCADの利点
・ 3次元CADでできることの例
◇3次元複雑形状の実体化
・ 加工手段 切削と積層
・ 3次元プリンタの特性
◇設計試作の実例
・ ロボット発進用ゲート機構の試作
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 40 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CADとプリンタの作例
○ ロボットの発進ゲート機構を試作したい
3次元CADとプリンタの作例
○ 機構の検討
◇イメージ
・ 道路にゲートがあって、
スライドして開いて、
ロボットがせり上がって来る。
◇想定仕様
・ 普段は大荷重に耐えられる。
・ 沈んでからスライドする。
・ 開口部を完全に確保できる。
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 41 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CADとプリンタの作例
○ 機構の検討
・ 直動系×2 /片側
・ 平行リンク×2 (直動×1)
・ レール部への負担
・ 普段はリンクの死点で強い
・ 奥行き方向の支え
・ 荷重は下蓋、防御性も良い?
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 42 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CADとプリンタの作例
○ 機構案→実体化
・ 普段は大荷重に耐えられる。
・ 沈んでからスライド。
・ 橙:スライド牽引リンク
赤、緑:ゲート板支持リンク
・ 紫:ガイド溝+ローラフォロワ
・ 牽引リンクをひく
→ 支持リンクが傾く
→ ゲート側端のフォロワが
溝に沿って降りて、引き込み
※ガイド溝、フォロワには支持荷重なし
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
・ 普段は大荷重に耐えられる。
・ 沈んでからスライド。
Page. 43 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CADとプリンタの作例
○ 3次元CADモデリング (1日弱)
↓15年ほど前
◇という案を考えたが実現手段がなかった
・ スライドの溝をどう作るか?
→ 基板加工機を流用しようと材料買って放置
◇3次元CADでアイデアの検証
・ 5年前に初めて3DCADを触ったときに、
機構シミュレーションの題材にはしていた
→ 実体化せずに放置。レーザー加工機使う?
◇そうだ、3次元プリンタで作れそう!
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
(2週前)
Page. 44 基礎からのメカトロニクスセミナー
3次元CADとプリンタの作例
○ 成形、組み立て例 (約3日)
ナットを挿入
フォロワ用ベアリング
※「接触セット」でガイド動作
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 45 基礎からのメカトロニクスセミナー
まと め
溝部
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
基礎からのメカトロニクスセミナー
まと め
○ 3次元の設計
○ 3次元の加工手段
・ 3次元のメカに3次元の設計。
・ 図が3次元になる以上に強力:
・ 組立や動きの確認
・ コンピュータの中で切り貼り
・ 運動、力、ひずみのシミュレーション
・ 便利なのは確かだが、一抹の不安も。
よく考えること、判断感覚の低下まねく?
・ 導入コストは要確認。
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 47 基礎からのメカトロニクスセミナー
・ 3次元CADのデータをそのまま使う
加工手段がいくつも存在:
マシニングセンタ(MC)、射出成形
3次元プリンタなど
・ それぞれ向き不向きがかなり異なる。
・ 3次元プリンタは量産性以外は非常に便利
で、即効性あり。ただし、いきなり買わずに、
借りる/外注も現実的な選択肢。
C23 3次元CADと3次元加工の基礎
Page. 48 基礎からのメカトロニクスセミナー