3Dプリンティングアディティブ・マニュファクチャリングとも呼ばれる3Dプリントは、デジタルファイルから3次元の立体を作るプロセスである。3Dプリントされたオブジェクトの作成は、積層造形プロセスを使用して実現されます。アディティブ・プロセスでは、オブジェクトが作成されるまで、材料の連続した層を積層してオブジェクトを作成します。これらの各層は、最終的な物体の水平断面を薄くスライスしたものと見なすことができる。
3Dプリンティングは、例えばフライス盤で金属やプラスチックの一部を切り出したり、くり抜いたりするサブトラクティブ・マニュファクチャリングの反対である。
3Dプリンティングでは、従来の製造方法よりも少ない材料で複雑な（機能的な）形状を製造することができる。
3Dプリンティングの仕組み
3Dプリントプロセスの基本的な3つのステップは以下の通りである：
- 作りたいものをデザインし、デジタルモデリングする。
- 3Dプリンタの準備とセットアップ
- オブジェクトをレイヤーごとに印刷する
3Dモデルの設計
3Dプリントの最初のステップは、作りたいオブジェクトの仮想設計を行うことです。3Dモデリング・ソフトウェアを使用すると、この設計を行うことができます。
人気のある3Dモデリング・ソフトウェアには次のようなものがある：
- ブレンダー
- オートデスク
- スケッチアップ
- フュージョン360
- ティンカーキャド
- 3ds Max
- マヤ
3Dスキャナーは、既存の対象物をスキャンしてデジタルモデルを作成するためにも使用できる。得られたスキャンデータは3Dモデルに変換されます。
CAD（コンピューター支援設計）ソフトウェアは、機械部品や工具のモデリングによく使用される。設計は2Dスケッチで構成され、それを3Dオブジェクトに押し出したり、回転させたりする。
デジタルモデルが完成すると、3Dプリンターのソフトウェアがモデルを数百から数千の水平レイヤーにスライスする。
スライスされたファイルは、オブジェクトをレイヤーごとに再現するためにプリントヘッドがたどらなければならないパスを示しています。このファイルには、インフィルパターンと材料密度の情報も含まれています。
スライシング・ソフトウェアは、印刷レイヤーを作成する際に、レイヤーの高さ、インフィルの割合、印刷速度などのパラメーターを考慮する。
人気のあるスライス・ソフトウェアには次のようなものがある：
- キュラ
- スライス3r
- シンプリファイ3D
- キッスライサー
3Dプリンタの準備
3Dプリンターを準備するには、製造ステージを水平にし、適切な印刷材料を装填する必要がある。
- フィラメントプリンターの場合、フィラメントガイドチューブはエクストルーダーに通される。
- パウダーベッドプリンターの場合、パウダーリザーバーにパウダーが充填される。
- 樹脂タンクは、ステレオリソグラフィープリンターの場合、液体樹脂で満たされている。
プリントベッドの表面は、印刷する材料に応じて適切なものを設置し、準備する必要があります。例えば、画家用テープ、PEIシート、接着剤などがあります。
3Dプリンターに適切な材料をセットアップしたら、スライスしたファイルをプリンターに転送する。これは、USBスティック、Wi-Fi、または有線接続で行うことができる。
最後の準備段階は、プリンター・ソフトウェアの設定を調整することである：
- 印刷解像度
- 印刷速度
- サポート
- 冷却ファン回転数
- ベッド温度
- 押出機温度
- その他様々なカスタム設定
プリントが開始されると、最初のレイヤーがビルドプラットフォームにプリントされる。その後、オブジェクトの残りの部分が完成するまで、レイヤーごとに構築されます。
層の形成
3Dプリンティングでは、物体を構成するためにいくつかの方法で層を形成することができる。主な3Dプリント技術を以下に簡単に説明する。
材料押出
溶融積層造形（FDM）としても知られる材料押し出しは、最も一般的なコンシューマー向け3Dプリント技術です。手頃な価格の家庭用3Dプリンターで使用されています。
FDMでは、PLA、PETG、ABSなどの熱可塑性フィラメントがコイルから巻き出され、押し出しノズルヘッドに供給される。ノズルは、精密に制御されたモーターを使用することで、水平方向にも垂直方向にも動くことができます。
ノズルはフィラメントを融点以上に加熱し、ビルドプラットフォーム（または最新のプリント層）上に押し出し、そこで固化させる。各層が固化し、下の層と接着します。
サポート構造は、オーバーハングやブリッジングの際に構築される。印刷終了後、サポート構造は取り外すことができる。
FDMの最も一般的な用途はプロトタイピングである。
付加価値税重合
VAT重合で最も一般的な技術は、ステレオリソグラフィー（SLA）である。
SLAでは、容器に液状のフォトポリマー樹脂を入れ、UVレーザーで硬化させる。
ビルドプラットフォームは、樹脂タンクの表面のすぐ下にある。レーザービームは、固化する液体樹脂の上に最初の層のパターンをトレースします。
その後、プラットフォームがわずかに上昇し、レーザーが次のレイヤーを前のレイヤーのすぐ上にトレースする。これは、完全なオブジェクトが構築されるまで続く。
余分な液状樹脂は連続的に排出される。印刷後、対象物を溶剤ですすぎ、余分な樹脂を取り除く必要があります。
サポートは印刷時に必要だが、樹脂の特性上、印刷後は比較的簡単に剥離できる。
滑らかな印刷層ラインと樹脂のセルフレベリング特性を組み合わせることで、このプロセスは優れた表面品質を持つ高精度の部品を作成することができます。
SLAはアセンブリ、プロトタイプ、最終用途部品によく使用される。
パウダーベッド・フュージョン
粉末床溶融は、粉末床の領域を選択的に溶融することで機能する。最も一般的な技術は以下の通り：
選択的レーザー焼結(SLS):高出力レーザーを使用して、ポリマー粉末の小粒子を溶融する。パウダーはローラーやブレードで造形プラットフォームに均一に広げられる。レーザーは、対象物の断面内で粉末粒子を選択的に焼結させる。層が完成するとプラットフォームが下がり、さらにパウダーがベッドに広げられ、パーツが完成するまでこのプロセスが繰り返される。余分なパウダーは印刷中に対象物を支えるので、他の支持構造は必要ない。
選択的レーザー溶融（SLM）:SLMはSLSに似ているが、プラスチックの代わりに金属粉末を使う。高出力レーザーは金属粉末を焼結させるのではなく、溶融させる。SLMではチタン合金、工具鋼、ステンレス鋼、アルミニウムがよく使用される。
電子ビーム溶解（EBM）:レーザーの代わりに電子ビームを使い、金属粉末層を選択的に溶かす。造形速度は速いが、プロセスには真空が必要なため、EBMは高価になる。医療用インプラントや航空宇宙部品によく用いられる。
材料噴射
マテリアル・ジェッティングはしばしばポリジェット印刷と呼ばれ、2Dインクジェット紙プリンターと同様の働きをする。しかし、インクの滴を紙の上に噴射するのではなく、UV硬化型フォトポリマー樹脂をビルドプラットフォームの上に噴射する。
レイヤーは、プリントヘッドが通過するたびにUV光で硬化される。未硬化の樹脂は造形プロセスの最後に除去され、ソリッドな3Dオブジェクトだけが残る。
支持構造も、必要なときにいつでも取り外し可能なゲル状の素材でプリントされる。
マテリアル・ジェッティングでは、複数のプリントヘッドを使用することで、複数の素材をプリントすることができる。素材によっては、ゴムのような透明なものや、耐高温性のものもある。
精度が高く、レイヤーラインが見えにくい。このプロセスは、非常に詳細なオブジェクトの作成を可能にする。マテリアルジェットは主にラピッドプロトタイピングに使用される。
バインダー・ジェット
バインダージェッティングでは、2つの材料が使用される：
- 砂岩、セラミック、ステンレス鋼、コバルトクロムなどの粉末ベースの材料。
- 液状の接着剤であるバインダー。
バインダーをパウダーベッド上に選択的に投下し、パウダー粒子を結合させる。ビルドプラットフォームが下がり、ローラーを使ってパウダーがベッドに散布され、この工程が繰り返される。
印刷が終わると、結合されていない余分なパウダーが取り除かれ、結合された物体だけが残る。部品の密度、強度、平滑性を高めるために、最終段階として焼結を行うことができる。
このプロセスは、高速印刷と大きな対象物の印刷を可能にする。バインダージェッティングは、砂型鋳造、金属鋳造、セラミックに適用できます。また、フルカラー印刷にも使用されます。
シートラミネート
積層造形物製造（LOM）では、シート状の素材を接着して造形物を形成する。最も一般的な材料は紙である。
レーザーが紙を一枚一枚、そのレイヤーに必要な形にカットする。
カットされた紙は、熱と圧力を使って前の層にラミネートされる。レーザーでラミネート層にクロスハッチパターンをカットし、接着性を高める。
対象物が完成すると、余分な材料は切り取られる。LOMは、安価な試作品や特注の紙製品を製造している。
直接エネルギー蒸着
直接金属蒸着法は、金属を蒸着しながら溶融させる。ノズルから金属粉末またはワイヤーを押し出し、押し出し点で高エネルギーのレーザーまたは電子ビームを照射する。
熱源が材料を溶かし、溶融金属のビーズをベースプレートまたは既存の部品に堆積させる。
ノズルと熱源はx、y、z軸方向に移動でき、必要な場所に正確に材料を堆積させることができる。余分な材料は、印刷中にサポートとして機能します。
DED法は、既存の金属部品の修理や修正を可能にする。また、アディティブ法とサブトラクティブ法を組み合わせたハイブリッド製造も可能になる。
3Dプリンティングで使用される材料
3Dプリントにはさまざまな素材を使用できる。使用可能な材料は、印刷プロセスによって異なります。
プラスチック
3Dプリンターで使用される最も一般的なプラスチックは以下の通りである：
- ABS:耐久性、耐衝撃性に優れたプラスチック。機能的な試作品や最終製品に使用される。
- PLA:コーンスターチから作られたPLAは生分解性。プロトタイピングやホビープリントに使用。
- PETG:PLAよりも強いPETGは、高い強度を必要とする工具や製品の製造によく使用される。
- ナイロン:エンジニアリング・グレードのナイロン・フィラメントは、高い強度、靭性、耐摩耗性を持つ。最終用途部品によく使用される。
- ポリカーボネート:110℃までの耐熱性を持ち、非常に強い。耐久性のある完成品に使用される。
- フォトポリマー樹脂:SLA、PolyJetおよび類似のバットプロセスで使用される。樹脂は優れた精度と表面仕上げを提供する。
その他の特殊プラスチックには、導電性PLAやABS、PVAサポート、高温熱可塑性プラスチック（PEEK、PEI、PEKK）、柔軟樹脂（TPU）、複合材料などがある。
金属
3Dプリンティングで広く使われている金属にはさまざまなものがある：
- アルミニウム:軽量だが強い。航空宇宙用途に使用される。
- ステンレス:高い強度と滅菌性を必要とする製品に適した耐食性金属。
- チタン:低密度で非常に強い。医療用インプラントや航空宇宙部品に使用される。
- コバルト・クロム:歯科用インプラントや整形外科用インプラントによく使用される生体適合性金属。
- ニッケル超合金:タービンや航空機エンジンの部品に使用される耐熱合金。
- 貴金属:金、銀、プラチナのジュエリーが3Dプリントできる。
その他の材料
3Dプリントされた素材には他にもさまざまなものがある：
- サンドストーン:鋳物や建築用にバインダージェットで印刷。
- セラミックス:セラミック技術部品に使用される。
- ワックス:ジュエリーのパターンや鋳造に適しています。
- コンクリート:印刷された建物や建築物。
- フード:チョコレート、クッキー、パスタ、その他の食品が印刷できる。
- 細胞:臓器印刷は、生きた細胞を含むバイオインクスフェロイドを使用する。
- 複合材料:金属、プラスチック、セラミックの混合物を印刷することができる。
3Dプリント技術が発展するにつれて、プリント可能な素材はますます増えている。ガラス、織物、電子機器のプリントといった分野の研究が進んでいる。
3Dプリンティングの主な利点
3Dプリンティングは、従来の製造に比べていくつかの利点がある：
- デザインの自由度 射出成形や機械加工では不可能な、ユニークで複雑な形状の印刷が可能です。また、軽量化や部品の集約化により、機能性の向上も可能です。
- カスタマイズ 各印刷用にデジタルCADファイルを修正することで、マスカスタマイゼーションやパーソナライゼーションが可能です。小ロットの特注品やオーダーメイド品の生産も可能です。
- スピード – プロトタイピングは、従来の技術では数週間かかるところ、数日で完了します。部品は必要なときにオンデマンドで生産することもできます。
- コスト効率 製造における金型をなくすことで、小ロット生産のコストを削減。必要な量だけを使用することで、材料の無駄が削減されます。
- 分散型製造 デジタル部品ファイルを、世界中に分散している3Dプリンタに迅速かつ安価に送信できます。現場での製造と修理が可能。
- イノベーション 複雑さは自由であり、試行錯誤のプロトタイピングはイノベーションの機会を増やす。製品は反復的に改善できる。
3Dプリンティングは、従来の方法では実現できなかった新たな製造の可能性を可能にする。ヘルスケア、歯科、自動車、航空宇宙、建築、宝飾品、その他多くの分野で応用されている。
3Dプリンティングの応用
3Dプリンティング技術は、さまざまな業界で多くの用途があります。主な応用分野をいくつか紹介しよう：
- プロトタイピング 製品設計を迅速に反復し、最適化する。機能性、適合性、製造性を検証します。
- 工具 – 治具、治具、検査ゲージ、製造現場用の組み立て補助具などの製造ツールを3Dプリントします。
- 部品生産 – カスタムまたは小ロットの注文のために、最終使用部品を付加製造することができます。運用コストを削減します。
- 航空宇宙 – 航空機やロケットメーカーが、燃料使用量を減らすために軽量部品を印刷。オンデマンドのスペアパーツにも使用。
- 自動車 – 自動車メーカーは、3Dプリントを試作や特殊な少量生産部品の製造に利用している。カスタマイズされた内装やエアダクトもプリントされる。
- ヘルスケア カスタム補綴物、インプラント、解剖学的モデルは医師を支援し、手術計画を改善する。印刷された医薬品は、より正確な投与を提供します。
- 教育 – 学校では、設計原理を教えるために3Dプリンタを活用しています。生徒たちは技術に触れることができます。
- 建設 – 3Dプリントによる住宅やコンクリート構造物が具体化。現場での自動化施工がユニークな建築を可能にする。
- フード 3Dプリンターでカスタマイズされたチョコレートやスナック菓子、複雑なケーキのデコレーションが作れる。宇宙旅行用の栄養食もプリントできる。
- ファッション いくつかのデザイナーは現在、3Dプリントを靴や服のラインに組み込んでいる。アクセサリーやジュエリーも製造されている。
- アート＆デザイン – アーティストは、彫刻、照明器具、家具、その他の表現力豊かな作品に3Dプリントを使用しています。この技術は、無限の創造の可能性を提供します。
これらは、3Dプリンティングが提供する数多くの用途のほんの一部に過ぎない。アディティブ・マニュファクチャリングの能力が向上するにつれて、より多くの産業がこの技術を採用するようになるだろう。
3Dプリンティングの未来
3Dプリンティング技術は、過去10年間で驚異的な発展を遂げた。しかし、3Dプリンティング技術にはまだまだ発展の余地と可能性がある。ここでは、私たちが期待できる進歩のいくつかを紹介しよう：
- 素材の拡大 高性能ポリマーや金属合金など、より多くのエンジニアリング材料がプリント可能になる。生体適合材料は、医療用3Dプリンティング・アプリケーションを進歩させる。エレクトロニクス・プリンティングは、スマート・コンポーネントやIoTデバイスを可能にする。
- システムサイズ より大規模なシステムでは、人間サイズのオブジェクトを一体印刷することができる。小型のシステムは、デスクトップ製造ソリューションを提供します。
- スピードと解像度 造形速度の向上により、大量生産が可能になる。解像度の向上は、幾何学的な複雑さと表面仕上げを向上させる。プリントヘッドの追加により、マルチマテリアルの高度化が可能になる。
- インダストリー4.0の統合 3Dプリンティング・システムは、製品のライフサイクル全体にわたってデジタル・スレッドと統合されるでしょう。設計、シミュレーション、生産、品質管理、部品追跡がより自動化されるでしょう。
- 分散製造 現地生産の採用が増加。エンジニアは、交換や修理のためにカスタマイズされたデザインをその場で印刷することができます。輸送コストと環境への影響を削減。
- 建築 – 大型3Dプリンターは、コンクリートやカスタム複合材を使った将来のインフラ建設に役立つだろう。ユニークな構造形状が印刷可能になる。
3Dプリンティング技術は、製造業をより持続可能で分散型の顧客中心モデルへと変革する。3Dプリンティング技術は、時間とコストを節約しながら、より大きなイノベーション能力を引き出す力を企業に与えます。
よくある質問
3Dプリントの仕組みは？
3Dプリンティングは、アディティブ・プロセス（積層造形法）を用いて、物体を1層ずつ積み上げていく。デジタル3Dモデルは層にスライスされ、プリンターはパーツが完成するまで各断面に材料を堆積させる。溶融堆積モデリング、ステレオリソグラフィ、選択的レーザー焼結などの技術が使用される。
どんな素材で3Dプリントできますか？
3Dプリントでは、ABS、PLA、PETG、ナイロン、フォトポリマーなどのプラスチックを使用できる。ステンレス、アルミニウム、チタン、コバルトクロム、貴金属などの金属もプリントできる。その他の素材としては、砂岩、セラミック、ワックス、コンクリート、食品、バイオインクなどがある。新素材は絶えず導入されている。
3Dプリントの利点は何ですか？
3Dプリントの利点は以下の通りである：
- 複雑な形状を作る自由な設計
- 製品のカスタマイズとパーソナライズ
- ラピッドプロトタイピングとデザインの検証
- 小ロット製造の低コスト化
- 製造の分散化能力
- 材料の無駄を減らし、設計を最適化
- 反復開発によるイノベーション
3Dプリンターの用途は？
3Dプリンティングはさまざまな産業で応用されている：
- 製品設計の試作
- カスタム最終用途部品の製造
- 特殊工具の製造
- 航空宇宙および自動車部品
- カスタマイズされた医療機器とインプラント
- 医薬品の研究と投薬
- 教材・教育用具
- 住宅・ビル建設
- 食品印刷
- ファッションとコスチュームアクセサリー
- アート彫刻とデザイン作品
3Dプリンティングの未来とは？
3Dプリンティングの未来には以下が含まれる：
- 拡張された材料能力とエレクトロニクス印刷
- 大規模システムと小規模システム
- スピードと解像度の向上
- 3Dプリンティングのデジタル製造への統合
- 分散型現地生産の成長
- インフラストラクチャーおよび建築構造物の建設
