レーザー加工 石

ある日、手書きのクマの絵を持ってきた女の子がいたので、ディジタル化してレーザーでプラスチックに彫刻してあげたことがありました。そうしたら今度は石を持ってきました。なので、今日は石を加工してみました。
石の表面にクマの絵を彫刻しました。
パラメータは強度9.0%　速度20.0%です。

石の彫刻中

 石は凹凸があり平坦でも水平でもないので、彫刻のムラができます。図の石、左下が描画できていません。焦点距離を合わせたつもりだったんですが、強弱に差ができてしまったらしいです。台を上げて調節しつつ何回かに分けてレーザーを照射しました。
それで何とか成功しました。

成功

ただし、ここに至るまでに失敗したものがあります。

失敗１

石は燃えることはないから大丈夫だろうと思って、レーザー強度を100%にして加工してみましたが.....

失敗２

結果は、レーザーの威力が強すぎて、石の表面ごと砕けてしまいました。
かろうじて上の方はクマの顔が見えますが、これは途中でレーザーを止めたせいです。
あのまま止めずにいたら表面すべて溶けていたかもしれません。

石を加工する際の注意点は

1. 燃えないからと言って強度を強くしすぎてはいけない！
2. 加工面はできるだけ水平になるよう努力すべし
3. もし水平にならなければレーザーとの距離（高さ）をこまめに変えて加工する
4. それなりに難しいので、前もって試し切りすることをお勧めします

朝来たら３Ｄプリンタの出力失敗していました。

黒いPLAでロボットの部品を作成していました。
途中から積層がずれています。
下の台自体がずれていました。

凹凸ができる　→　ノズルがぶつかる　→　台ごと動く　→　積層ずれる　→　下の積層が無い部分は塊をつくる　→　凹凸...

という悪循環が起こるらしいです。
朝、期待していたのに悲しい。

３Ｄプリンタのフィラメント

CubeX正規のフィラメントカートリッジは2万円弱します。
同じ1.75mmのPLAは探せば1kg 3000円程度で買えます。
この落差…。
ということで、購入してみました。
ケンビル社1.75mm

ただし、CubeXではカートリッジが装着されていないとエラーとなって出力が止まってしまいます。
届いた状態でのホイールはカートリッジに合わないので、カートリッジ内部の ホイール部分に巻き直す必要があります。

使っていた純正品のカートリッジのフィラメントがちょうど無くなったので、試しに新しいフィラメントで出力してみました。

最初フィラメントを交換する時には少し手間かかりましたが、出力は問題もなく思っていたより普通にできました。
というより、以前使っていた付属してきたフィラメントは(一日一回以上）頻繁に折れていましたが、新しい方は使い始めて数日たちますが、まだ一度も折れていません。
純正品よりこっちの方がいい．．．．。

今回はCNCについてです。
CNCと言うのはComputerized Numerical Controlの略で、直訳すると「計算機による数値制御」といった感じです。
何を制御するのかというとドリルです。性格にはドリルの付いた3軸のサーボモータの動作をコンピュータから制御するシステムのことを言います。
つまりはディジタルな切削機です。

CNC (OriginalMind co., COBRA2520)

図は部屋にあるCNCです。個人でも使える安い機種です。USBで接続して専用ソフトから操作します。

アルミや銅も削れます。3次元的に削ることができますが、ドリルの関係から上方向からしか削れないので、回り込んでの加工ができません。2.5次元加工機とも呼ばれます。
もっとすごいものは材料部分がのる台が回転して加工することができるものもあります。

レーザー加工機と比べたときの利点は、

• 3次元的加工が比較的簡単
• アルミや銅、石なども切削可能
• 燃えない

３Ｄプリンタと比べた場合の利点は

• 樹脂だけではなく、金属、木材など材料を選択可能
• 安価に造形

もちろん利点だけではなく

• ドリルの刃が壊れやすく交換する必要あり
• ドリルに触れると危険
• 材料を別に用意する必要あり
• 複雑な構造を造形することが難しい

といった不利点もあります。
レーザーで切りにくい金属や木材(黒檀とか)にはＣＮＣいいと思います。

今回は大きいオブジェクトを造形して精度を見てみたいとおもい、
脳のモデルをプリントアウトしてみました。
オプションはPLA樹脂で、0.5mm積層、Hollow(中空）です。

下のラフターと呼ばれる部分を作ったところ。なぜか、いつもより結構細かく作っている。これは想像ですが、ラフターを厚くすることで水平性を改善させる効果があるのかもしれないです。

開始から1時間…黄色い線のようなものはサポート部分です。脳はしわしわで複雑な形状なので、サポート部分も複雑で時間がかかるようです。

開始から2時間…向かって前方向が前脳、後方向が後脳です。おそらく左右の赤い部分は側頭葉下部あたりを作っているのだと思います。前方の小さい赤部分は前頭眼窩部のあたりだと思います。

開始から14時間（翌朝）…段々出来てきましたが、一晩でも終わらないです。手前が小脳と脳幹です。前方中央を左右に分けるのが右脳と左脳をわける中心溝です。両サイドの黄色いサポート材がある部分が側頭葉と前頭葉を分ける溝で外側溝（シルヴィウス溝）です。

実際の脳表面は神経細胞が集まった灰白質と呼ばれる部分と、神経軸索繊維からなる白質という部分からなります。今回は中空で造形する設定にしたので、中身はありませんが、実際はもう少し厚い灰白質と、白質で詰まっています。

造形中、横から撮影。正面が小脳部分。

サポート材をみると少しずつ右にずれています。おそらく、毎回のようにどこかにぶつかってノズル位置情報がずれてきているのだと思います。ノズル縦方向(z軸方向）の位置が下過ぎてぶつかってしまうのかもしれません。

開始から20時間経過…手前下に小脳ができています。後頭葉下から上側頭回・下前運動野にかけてのスライスあたりです。

翌翌朝…なんと、ここでストップしてました。中途半端ですが、終わってます。

見るとカートリッジのフィラメントがなくなっていました。

引きはがし

仕方がないので、この状態で付属の器具を使ってサポート材部分を天板から引きはがします。

根気と力が要ります。

今回は大きいオブジェクトを出力しました。写真からは見えないかもしれませんが、横から見ると何度か積層がずれています。

当然ですが、大きいオブジェクトほど途中で失敗する確率も増えます。

今まであったのは

1. 積層がずれる
2. 樹脂材料がなくなる
3. フィラメントがカートリッジ内で引っ掛かって出てこなくなる
4. フィラメントが途中で折れる（特にPLA)

といったエラーです。

2，3，4が起これば復帰不可能です。

途中で失敗しましたが、ふさいでしまわない状態というのも脳内の位置関係がよくわかっていいかもしれません。例えば弓状溝の形状などはこうしてみない限りＭＲＩの構造画像やテンソル画像からはわからないものです。
あと、今回はPLAでHollow（空洞）の設定で出力してみましたが、外側は強度的には問題ないようです。内部の構造ではサポート材が無い部分があってうまくできていないところもあったようですが、外側は結構いいと思います。

実験 木材３

実験シリーズ３です。
まだ木材編です。今回はアガチス材を調達しました。

アガチス材は南洋桂や新桂とも呼ばれる木材で南太平洋あたりに分布している常緑樹で、ナギモドキ属に属します。学名Agathisとそのままです。



速度を1.6%、2.0%、3.0%、4.0%で加工し比較しました。

アガチス材

切断中　炎が出てます

加工１回目 速度1.6%

加工２回目 速度1.6%

切断面上から速度1.6%・2.0%・3.0%・4.0%

速度1.6%では炎がでて焦げています。
裏面はもう少し黒くなっています。炎が出ると表面より裏面の方が焦げます。


パラメータ変えて試してみてわかったことは
レーザーが強すぎると炎が出て加工面周辺が黒く焦げているということです。

一度に強いレーザーで加工するより、少し弱めで２～３回かけて加工する方が仕上がりが良いです。
アガチス材は炎が出やすいです。
炎の大きさに関して、これまで試した印象だと

　パオロッサ＜バルサ＜アガチス＜黒檀＜胡桃

という感じです。
切れにくさとしては

　バルサ＜胡桃＜アガチス＜パオロッサ＜黒檀

という印象です。
パオロッサは切れにくいけど炎が出にくいので、何度かレーザーで加工すると切れます。
胡桃は切れやすいけど炎が出やすいので、レーザーの強さに注意が必要です。
そういった意味ではアガチスは中間で比較的切りやすいと思います。

実験 木材２

実験シリーズの２です。

以前、木材として黒檀・胡桃・パオロッサを比較しましたが、今度は近くのホームセンターに行って比較的軽めの木材としてバルサ材を購入して試してみました。

バルサ(Balsa, 学名：Ochroma lagopus)は軽く白いです。アオイ目パンヤ科で南米産です。発泡スチロールのような質感です。
今回使ったバルサ材は5mm厚120mm幅です。
6mm厚×80mm幅です。（修正）

以前の胡桃などと同じパラメータでレーザーを当てたら炎上するような気がしたので、プリセットされていたバルサ材用のパラメータでカットしました。
強度100%速度18%です。速度は大きいほど速く加工するので同じ強度であれば、速度が大きいほど単位面積当たりのレーザが与えるエネルギーは小さくなります。
以前は速度1.6%だったのでレーザーのエネルギーとして10分の一くらいです。

1回目

2回目

3回目

レーザー３回当てたら切れました。
案外炎は出ませんでした。切断面は黒いですが炎上跡はありません。
レーザー強度を強くするとどうなるかはまだわかりませんが、バルサ材は炎が出にくいのかもしれません。
軽くて強度もそんなに無い気がしますが、比較的加工しやすいので使いようによってはいいのかもしれません。

３Ｄプリンタ用のモデル作成方法

３Ｄプリンタで造形するためにはデータが必要です。大まかにわけて下の3通りの方法があると思います。

1. ソフトで作る
2. すでに物理的にあるものをスキャンする（３Ｄスキャン）
3. ＷＥＢ上にあるものをＤＬして使う

1はmetasequoiaとかフリーでも良いモデル作成ソフトがありますので、それを利用するという手があります。といってもmetasequoiaフリー版ではSTL出力ができません。
もしくはフリーのＣＡＤソフトが使えます。
僕はAutodesk 123DというフリーのCADを使っています。
英語ですが、動画のチュートリアルもたくさんあります。
いずれにせよ、モデルソフトもCADも操作に慣れが必要です。
はじめっから難しいものは作れません。


2は専用の３Ｄスキャンを使うとできますが、それなりに高いです。
また、ＫＩＮＥＣＴで撮影してそこからSTLを作ってくれるソフトもあるようです。
ほかにも写真をたくさんとってそこから3次元情報を再構成するソフトがあります。
前に作ったトリケラトプスはAutodesk 123D catchというソフトを使って作りました。


3はフリーでＤＬできるサイトがあります。そのうちまとめてレポートします。
たとえば、thingiverseです。英語サイトですが、たいていＳＴＬでダウンロードできます。
STLデータを売っているサイトもあるので、コストがかかってもいいならばいくつか選択肢はあります。

レーザーカットデータの作り方とカットの実行


レーザー加工機を使用する際のデータの作り方です。と言っても何のことはなく、ベクター編集ソフトで作っています。

Corel Drawも使えます。試用版を使ってみましたが、使いやすいと思います。
僕はinkscapeとAdobe Illustrator CS5を使っています。主にinkscapeで編集してIllustratorで出力してます。
普通にプリンタ出力するのと同様の感覚で出力してから、細かい位置合わせできます。

あちこちのＰＣにIllustratorが入っているわけではないので、別なマシンで作る場合は、元画像をinkscapeで作成することが多いです。そのうえでPDF化してillustratorで読み込んで出力してます。

illustratorを通している理由は、線幅がある一定以下でないとベクター線として認識されないためで、illustratorならば細い線幅の設定に対応しているためです。

inkscapeでできるなら、慣れているのでそっちでやるんですが、今のところinkscapeではできません。

なので、inkscapeで大体の絵を描いてから、pdfで出力してillustratorで読込み、ベクターとして認識してほしい線の幅を0.001ptに変更しています。
カッティングには、ベクターとラスターというモードがあり、それぞれ強度やスピードを調整できます。ベクターの中でも色分けして、例えば赤色線なら強度を上げてカットし、青色線なら強度を中くらいにして少し深い彫刻というように調整します。

キーホルダー用に使用した10角形模様（自作） pdf

最初は数値を打ち込んで36度回転して、位置は..mmにして、…とかやってましたが、面倒なので補助線を入れて大体で作りました。

朝、３Ｄプリンタが途中で止まっていました。
どうやら、３ＤプリンターのカートリッジからＰＬＡ樹脂（フィラメント）が出てこなくなったのが原因のようで、カートリッジを取り出して、中を開けてみました。すると、

巻き部分がダンボールでできてる！！

cubeXって.....
いやいや、段ボールでできていたって、何ら悪いことはないけど。

きっと数十通りのいろんな素材を試した上で、段ボールが一番良いという結果を導き出したんだ、きっと......

結局、フィラメントが出てこないのは内部での巻き方が悪かったようなので、うまく出てくるように少し巻き直しました。巻きについても考慮してほしかった。

いくつか、疑念を持ちつつも直して閉じました。

それにしても赤PLA樹脂は頻繁に折れます。黄色いＡＢＳ樹脂に比べ、かなり頻度が高いです。折れるとそれ以上積層できなくなるので、３Ｄプリンタは途中で止まります。

その割に高い。
ＵＳＡのサイトを見るとカートリッジ144ドルとありました。
日本で買うと2万円弱だそうです。

レーザーカッターで、木のキーホルダー作ってみました。

素材は以前試した5mm厚のパオロッサ材です。

木にもよりますが、結構細かいカットができます。

アクリルでも同じようなものが作れます。

左が5mm厚透明押し出しアクリルです。実際にキーホルダーとして使っています。

右は2mm厚蛍光アクリルの赤色とオレンジ色のものを切っていますが、後から接着剤で赤い部分をくっつけました。

3DプリンタでT-REX(ティラノサウルス)作りました。
まず失敗例から。こちらはPLAでつくりました。

サポート部分(ABS yellow)が一部うまくできず、途中で途切れてしまいました。
積層しているので、一段うまくいかないとその次からもうまくいかないことがおおいです。
その結果、本体のPLA部分が支持されず下に垂れ下がり触手か菌糸のような不思議な形になってしまいます。
できたときは、本当に腹から無数の触手が出ているようで気持ち悪かったので、ペンチである程度切りました。


次成功例。こちらは比較的うまくできました。

しかしサポート部との接触が多く、特に口部分はデリケートなパーツが多くて引きはがすのに苦労しました。繊細なパーツを作る場合はサポート部分をうまく除去する方法が必要です。

上の写真は熱湯に浸けているところです。熱湯につけると赤いPLAのサポート部分は柔らかくなります。
本体部分を壊さないようにお湯の中でペンチを使ってPLAをはぎとります。

左の黄色い方が引きはがしたばかりの方です。最後は半田ごてで取りました。
左の黄色い方の口をみると、草食恐竜の肉を食べて血が滴っているように見えますが、赤いのはPLA樹脂です。
口や足が引きはがし損ねたPLAのため、赤くなっているだけです。

PLAに比べてABSは比重も小さく軽いです。
ちょっと動かすとメシッといういう感じの音がしてすぐ折れそうです。
PLAの方が丈夫です。

３Ｄプリンタ作成のトリケラトプス、早速壊れました。

子供にあげたら、次の日には足が取れていました。
材料は黄色いABSで作っています。
この壊れた足の付け根はモデル作成時点で細くできてしまったもので測ってみると直径5.2mmでした。おそらくそこに荷重がかかったのが壊れた原因だと思います。
トリケラトプス右後ろ足にも水平方向に亀裂が入っています。
右前脚同様、水平方向に分離しているため、水平方向の接着が弱いようです。

半田ごてで表面を溶かしながらくっつけてみました。
手元の半田ごては300度ぐらいになるらしく、焦げます。


そもそも樹脂素材が出てくる度合にばらつきがあるため積層方向の充填度は一定ではありません。
部品を作る際は気を付ける必要があります。

まだ比較して試してはいないですがABSよりPLAの方が強度は高いようです。
でも、PLAをABSサポート材で作成するとサポート部分をはがす際に面倒なので、ABSにしていました。

昨日の夜から3Dプリンタで出力していました。

部品を作成するのが主な目的だったのですが、ついでにこんなものも作ってみました。
左側奥が元のおもちゃのトリケラトプスです。これは購入したものです。それで、それをもとに3Dプリンタで作ったのが、右の黄色いトリケラトプスです。スキャンして３Ｄモデルを作るのにも苦労しましたが、その件についてはまた後日お話しします。

で、こんな感じに作れます。

トリケラトプス本体(右)はABS、手前の赤いものはPLAのサポート部です。
ABSとPLAというのは樹脂(プラスチック)素材の種類です。溶解温度や硬度など少し違う特性を持っています。

使用したCubeXは熱溶解積層型なので、PLAやABSの樹脂素材を200～270度程度で溶かして下から積層していきます。何らかの理由で積層に失敗した回があると水平方向に切れ込みが入ってしまいます。
下に何もない場合、積層できないため支持するためのサポート部も樹脂で作ります。このサポート部分がなかなか厄介です。出来上がった時はくっついているので同じ材料だとはがすのに苦労します。本体とサポート部分にはABSとPLAといったように別な材料を使います。
PLAは熱湯をかけると曲がりやすくなるので、お湯に浸けてから剥がします。
剥がすのには、経験とコツと力が必要です。
苛性ソーダを使うともう少し簡単にはがすことができるらしいですがまだ試してはいません。

実験 木材１

レーザーカッターで木材を切ってみました。

木材と言っても世の中には色々な種類の木が存在するので、硬めの木を３つ選んでレーザーによる切断の比較をしてみました。
選んだのは黒檀(エボニー）、ウォルナット(胡桃)、パオロッサの3つです。


黒檀(学名：Diospyros ebenum)はエボニーとも呼ばれ東西に限らず昔から木材として有名です。カキノキ科カキノキ属で、黒いです。
ウォルナット(学名：Juglans nigra L.)は胡桃です。明るいこげ茶といった色あいです。
パオロッサ（学名：?）はマメ科ジャケツイバラ科の木材らしいですが詳細不明です。黒茶色です。紫檀の替わりに使われることがあるそうです。

上に挙げたいずれの木材も形が変化しにくいため昔から家具や楽器などに使われています。


比較のためなので、単純なジグザグにカットしました。
木材はいずれも厚さ5mmです。東急ハンズで購入しました。

3Dプリンターも先日来ました。今年発売されたもので、2色タイプです。
CubeX Duo

http://cubify.com/cubex/

3Dプリンタ自体、初めて使うのでよくわからないことも多かったのですが、
正直なところ、一般的な製品としてみると使いにくい事この上ないです。
重要なのはコツ・メンテナンス・勘・忍耐です。

3Dの形式はいろいろありますが、STL形式にしか対応していないようです。
専用ソフトを使ってSTL形式ファイルから.cubexファイルを作成して、USBメモリから作成します。
USBによる制御もできるはずです。
cubex形式に変換する際に使用する色や解像度、支持部を設定します。
使える材料はPLAとABSのみですが、色が選べます。

レーザー加工機、レーザーカッターと呼ばれる機械です。

プラスティック、木材などをレーザー光で切断したり、石や金属などにもレーザー彫刻することができます。

ＰＣからプリンタのように見えます。つまりプリントアウトするのと同じような操作で制御できます。

僕はAdobeのIllustratorから出力しています。

内部でベクターとラスターという区別がついているようで、絵の彫刻はラスターモードで行います。といっても画像をそのままプリンタ様に出力するだけで、内部で自動的にグレースケール変換してラスターとして彫刻してくれます。

フリーのベクター編集ソフトウェアとしてはinkscapeが有名ですが、このマシンに限っては使いにくいです。彫刻できますが切断ができません。

これはレーザー強度などのパラメータを、線の色と線幅で対応させているからです。

inkscapeでは0.001ptの線を表現できないことが原因です。そのため、ラスターとベクターのレーザー加工のアプリケーションで区別がうまくできないようです。

工学の博士やってます。


気が付けば仕事の居室に、レーザーカッター、3Dプリンター、CNCなど、最近のディジタルな工作機械が身の回りにそろっていました。
いつの間にか部屋がFabLabのような環境です。
もちろん一人だけで使っているわけではありませんが、結構自由に使えます。

使い方やコツに関する備忘録と情報共有のためです。
３Ｄプリンタやレーザーカッターを使いこなしている人はたくさんいると思いますが、最近使い始めた人やこれから使いたいと思っている人も世の中にはいると思いますので、ノウハウの獲得過程を公開したいと思います。

研究者やっていると文章や話がクドイといわれることがよくありますが、できるだけ努力してわかりやすく書きますのでご容赦ください。


もしレクチャーしてほしいという話があれば応相談です。
shimotomai[at]lab.tamagawa.ac.jp
です。
[at]は＠に変換してください。