1.3Dプリンター

母が新型コロナウイルスのワクチンを打った後、家事をできなくなってしまったので私が代わりに家事をしました。食器を洗おうと洗剤を出そうと思ったら「ドバッ」とたくさん出てしまいました。洗い終わった後、スポンジからはなかなか泡を取り除けませんでした。そしてその時こう思いました。「洗濯用洗剤は測って使うのに、食器用洗剤はなぜ測らないのだろう」と。

洗剤の量を測らないということは洗剤を付ける量が多くなったり少なくなったりするということになります。また、洗剤の量が少なすぎると食器の汚れがうまく落ちず、付け足していくことで洗剤を多く使ってしまうことになります。すなわち量を測らずに洗剤を使うと、洗剤を無駄に多く使うことになります。

洗剤を多く使うのはあまり良くありません。なぜ多く洗剤を使ってはいけないのか、それは洗剤を海にそのまま流すと汚染され、洗剤を魚が住めるほど綺麗な水に薄めるには洗剤1mlあたり、水が300L÷7=約42.8L必要になるからです。したがって、洗剤をたったの1ml多く出すだけで、42Lもの綺麗な水を無駄にしてしまうということになります。

まずは洗剤の量と洗浄力の関係について調べました。

洗剤には界面活性剤というものが含まれており、界面活性剤には水と油になじみやすい性質があります。それが一定数集まると、ミセルという集合体になり、汚れを包んで除去します。このミセルの適切な濃度が臨界ミセル濃度です。右の図は先程のサイトから引用したものです。この図からつけすぎても落ちるわけではないということがよくわかります。洗剤を臨界ミセル濃度にするのは大変そうに見えますが、洗剤の裏に書いてある、成分表示を見ればわかります。

大体の洗剤の成分表示には水1L(1000ml)に洗剤を0.75ml使うと書かれています。この通りに混ぜれば、臨界ミセル濃度にすることができます。(これについて書かれていないものは使えません)

洗剤と水が一緒に出るポンプを作るのがいいと最初に思いました。そしてこの形のポンプを作ろうとしました。これはヘッドの部分を押すと水や洗剤が押されてパイプの中を通り、一緒に出てくるというものです。

水を入れておかずに使う

作成の前になにをするのかを明確にしてから作ることにしました。調べたことやしたいことを箇条書きにします。

どうすれば歯車が噛み合うのかわからなかったので、学校の技術の先生に相談して見ました。その時にこちらのわかりやすいウェブサイトを見ながら教わりました。

歯車を作るために理解しなければならないものがたくさんあったので、まずポイントを一つずつ押さえていきました。1番最初に覚えた基礎がこのモジュールです。モジュールとは歯の大きさを表す値です。モジュールをm、ピッチ円直径をd、歯数をzとした時、モジュールはm=d/zで定義されます。

モジュールが歯の大きさだとわかっても、まだ歯車は作れません。モジュールと歯数の関係を理解するために歯の幅を求める必要があります。歯の幅をs(定数)とする時、m=d/zすなわちz=d/mを用いて、sはs=πd/z=πd/(2d/m)=πm/2で表されます。これにモジュールを当てはめると、m=1の時s=1.5707…となり、歯の幅は約1.6となります。m=2の時も同様にして歯の幅は約3.1となります。

歯数とピッチ円の直径を求める際のポイントはモジュール値を1にすることです。そうすれば歯数とピッチ円の直径が等しくなるので簡単に作成できます(1=1/1=d/zより)。2回目に作る歯車のモジュール値は1、歯数は20こ、ピッチ円の直径は20mm、歯の幅は２ｍｍ(sでない)にしました。

歯車とラックピニオンを噛み合わせてみると、回転しましたが、違和感があったのでしっかり測定して見ました。

ラックピニオンの方は歯の大きさは合っていますが、ケバケバしてしまいうまく印刷ができませんでした。そこで、密度を変えてみることにしました。写真を見ればわかるように、歯を作るときは密度を下げた方が(90%よりも10%の方が)いいとわかったので、ラックピニオンだけでなく歯車にも反映していくことにしました。

歯車がしっかり噛み合いました！

これを作っていこうと思います。絵にあるようにこのポンプは歯車で動きます。この図には書き込めませんでしたが、水が溜まるまで水を抑えておく板もつけます。ポンプを作る時には角度に気をつけました。ポンプを使い終わった後水が残っていてカビてしまっては決して衛生的とは言えないので、ポンプを5度傾けるようにしました。

この細長い棒は水を入れるための経路で中は空洞になっています。ポンプに残ったサポート剤はヤスリで削り落とします。しかし水の経路が小さすぎて、サポート剤が取り除けなかったので大きく作り直すことにしました。

水の経路を大きくして上につけることにしました。

これでサポート剤が取り除けたので水が通るようになりました。水の経路を作るポイントはサポート剤を取りやすくするために短いものを連結していくことです。

水滴一滴が0.03㎤なので 30㎤のポンプを作るはずが、3㎤のポンプを作っていました。

これをさっきのポンプにはめれば完成ですが、はまりませんでした。

穴のサポート剤を取るために、ヤスリを丸めて少し削ります。

横から見るとわかりやすいですが、これなら長く使っても安心です。これも穴のところをやすりがけします。

これでポンプは完成です。これから組み立てて試験をします。水を抑える板の軸には爪楊枝を使います。

水のポンプがしっかり動いて、使えることがわかりました。

[結果]

1枚目の写真が3mmの穴が空いた容器です。水を入れた時に水滴が出てきました‼︎

左側の大きな四角は洗剤を蓄えるスペースで、右側の四角は水滴を出すスペースです。使い方は簡単。左側にに洗剤を入れて左側の四角の天井を手で塞いで空気が入らないようにして、2枚目の写真の水滴を押し出すパーツを下に押すだけ。

実際に使えるのか、水を入れて試して見ました。

ポンプを作るには中に空気が入らないようにする必要がありました。今回の失敗は水滴を押し出すパーツの隙間から空気が入ったことが原因だと考えられます

ただ、ラムネのパッキンは丸いので、ポンプごと作り直す必要があります。

ポンプは一応完成しましたが、まだ洗剤をためておくタンクがありません。

さて、ここまで来たらあとは実験するだけ。装置を組み立てて...

軸がずれて、動きが重くなってしまうと故障の原因になります。たとえ便利な道具でもすぐ壊れてしまっては使いようがありません。

押したり引いたりしたときにこれだけ安定していれば長く使うことができます。

歯車を使って動かそうとしているものは水のポンプと洗剤のポンプです。

水滴を出すことは既に可能になりましたが、水滴一滴を毎回正しく出すことはできません。

ポンプを動かしたときにどのくらい歯車が動いたのかを記録します。このポンプは動くときに歯車の歯を８個動かしていたので、８個の歯を動かせばこのポンプを動かせるということがわかりました。

さて、あとは印刷するだけです。

この作品を作る時に重要なのは台所で使う時に邪魔にならないように歯車はできるだけ小さくすることなので最大でも歯数は40までにして作りたいと思います。

そこで、洗剤のポンプは歯車の歯1つ分、水のポンプは歯車の歯8つ分動かせばいいとわかっているのでこのような図を書いてみました。ラックピニオンを動かすと1番上の歯数12の歯車が歯1つ分、1番下の歯数20の歯車が歯8つ分動くようになっています。8と書かれている棒はラックピニオンです。

これを順番通りに固定すれば完成です。

これからは水を水道から取り入れるパーツを作っていきます。設計図でいうとここの部分になります。

印刷完了です。

底の板はこのやすりの作業がないと本体にはめることができませんでした。

ついに主要な部分が完成しました。

水道に固定する時にはこのパーツを使います。このパーツを水道のヘッドの上に置き、この空いている穴と本体の穴に、糸を通します。

今度はしっかりとフィットしました。これに糸を通せば完成です。

さて、いままで歯車の作成、水のポンプ、洗剤のポンプを作ってきました。これから作るのはこれらのパーツを包むカバーです。

これを水道の上に被せて、糸を通して本体を吊るします。

グルーガンを使ってポンプや歯車の固定をした後、カバーと側面と蓋をくっつけます。グルーガンは水に溶けにくい性質を持っているのでカバーの表面につけても問題ありませんが、ポンプの水に触れるところにはあまりつけないようにします。それは利用者が安心して使えないからです。例え、衛生的なものでも利用者が少しでも不快に思ったらこれを使ってもらえません。

まずは水のポンプの排水溝からです。反対側の穴から覗くとぴったりの位置で固定されているのが分かります。水の経路を繋げて固定した後、1番大事な作業に入ります。歯車です。少し斜めになれば、回らなくなります。実際に軸だけ挿して、少し大き目にカットします。その後は1番左のように仮止め(挿しておく)をしてその隣を接着します。これを続けると…完成です。私はここを慎重にやりすぎて1時間かけてしまいました。

洗剤のポンプはぴったりの大きさで作っているので先に挿し込んでおいて、二つのカバーを接着します。その後は、二つのカバーの間にある歯車を接着して、蓋と側面を接着します。

母に実際に使ってもらいました。

この作品を作るのに、2ヶ月かかり、とても大変でした。しかし、これを見て「こんな簡単にSDGsに貢献できるんだ」、「私もやってみよう」と思う人が少しでもできてくれれば嬉しいです。私は家でこれからこのSoap Regulatorを使っていきたいと思います。