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（積層造形）とも呼ばれる3Dプリンティングは、デジタルファイルから材料を層ごとに堆積させることで物体を作成することができる。現在利用可能な3Dプリント技術にはさまざまな種類があり、それぞれに利点や理想的な用途があります。特定のプロジェクトに適した3Dプリント技術を選択するかどうかは、材料の性能、速度、精度、コストなどの要因によって決まります。
溶融堆積モデリング（FDM）
溶融積層造形（FDM）は、最も一般的で手頃な3Dプリンティングの種類の1つです。熱可塑性フィラメントを加熱して半液状にし、ノズルからビルドプラットフォーム上に層ごとに押し出す。層が冷えて固まるとビルドプラットフォームが下がり、次の層が上にプリントされる。このプロセスは、物体が完成するまで続けられる。
FDM 3Dプリンティングの利点：
- プリンターも材料も低コスト
- PLA、ABS、PETG、ナイロンなど、さまざまな熱可塑性プラスチックを使用可能。
- 優れた強度と熱特性
- 簡単な操作とメンテナンス
FDMの理想的な用途
- プロトタイピング
- 工具、治具、固定具
- 玩具とホビー用品
- 機能部品と最終製品
FDM 3Dプリンターは、低コストでカスタムプラスチック部品を作るには優れていますが、表面の仕上がりや精度には限界があります。印刷プロセスの層状の性質により、傾斜面では目に見える階段状の効果が生じます。
FDM材料
FDM 3Dプリントに使用される最も一般的な材料は次のとおりです：
- PLA ポリ乳酸は、コーンスターチ由来の生分解性熱可塑性プラスチック。印刷が容易で、低臭気のモデルができる。他のプラスチックより脆い。
- ABS – アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン; 耐久性があり、適度に柔軟な熱可塑性ポリマー。冷却中にわずかに収縮する傾向があり、精度を損なうことがある。印刷時にガスが発生する。
- PETG グリコール変性ポリエチレンテレフタレートは、強度と柔軟性を兼ね備えており、耐久性に優れた印刷部品が得られます。多くの化学薬品に耐性があり、吸湿性が低い。
- ナイロン 強度と柔軟性に優れたエンジニアリング・プラスチック。強度が必要な機能部品によく使用される。
- TPU – 熱可塑性ポリウレタン; 柔軟性のあるゴムのようなフィラメントで、柔軟性のある物体、ガスケット、ホースなどに使用される。印刷が難しく、特殊なプリンター設定が必要。
ステレオリソグラフィー（SLA）
ステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリンティングは、紫外線（UV）レーザーを利用して、物体が形成されるまで液状のプラスチック樹脂を層ごとに硬化させます。SLA 3Dプリンターには、UVレーザーによって選択的に硬化されるフォトポリマー樹脂のタンクがあります。
SLA印刷の利点：
- 非常に高い精度とシャープなディテール
- 優れた表面仕上げ品質
- 多彩なフォトポリマー樹脂を用意
- 小物の高速印刷
SLAプリンティングの理想的な用途：
- 歯科および医療機器
- ジュエリー鋳造パターン
- 細部まで作り込まれたミニチュア
- 精密工学部品
- 機能的プロトタイプ
SLA3Dプリンティングは優れた部品品質を提供する一方で、工程が面倒であったり、材料が高価であったり、形状によってはサポート構造が必要であったりします。また、プリントしたパーツをすすいで硬化させる後処理も必要です。
SLA材料
一般的なSLA用フォトポリマー樹脂材料には、以下のようなものがある：
- 標準樹脂 – プロトタイピングとキャスティングマスター用。手頃な価格だが脆い。
- タフな樹脂 – 強度と柔軟性を提供する耐久性のあるプラスチックのような樹脂。
- 歯科用レジン – 歯科器具用に認可された生体適合性樹脂。
- キャスタブル樹脂 – ロストワックス鋳造される犠牲的ジュエリー鋳造マスター用に設計されています。
- 生体適合樹脂 – 人体と接する医療機器用。
- エンジニアリングレジン – 高度な機械的特性を備えた耐熱・耐薬品性材料。
マテリアル・ジェッティング（MJ）
マテリアル・ジェッティング（MJ）3Dプリントは、インクジェット方式のプリントヘッドを使用して、UV硬化型液体フォトポリマーの微小液滴を造形プラットフォームに選択的に堆積させる。液体は素早く固化し、層ごとに積み重なっていきます。マテリアル・ジェットは、滑らかな表面を持つ非常に詳細で正確なパーツを作成することができます。
MJ印刷の利点：
- 非常に高い細部解像度
- 優れた表面仕上げ – 滑らかで光沢がある
- 溶解可能な素材をサポート
- 複数の素材を組み合わせることができる
MJ印刷の理想的な用途
- 詳細な医療モデル
- 忠実度の高いプロトタイプ
- 治具やガイドなどの製造ツール
- ジュエリーのパターンと鋳造
マテリアル・ジェットの欠点としては、材料がやや脆いこと、設備コストが高いこと、低価格機では製造量が少ないことなどが挙げられる。材料費もかなり高い。
MJマテリアル
マテリアル・ジェッティングは、独自のフォトポリマー樹脂を使用します。いくつかのオプションがあります：
- 硬質不透明 – ビジュアルモデルとプロトタイプ用
- 硬質透明 – 透明なプラスチックのような部品
- ゴムのような – 弾性特性を持つ柔軟な部品
- 高温 – 耐熱モデルおよびフィクスチャー
- キャスタブル – ジュエリー鋳造パターン用樹脂
- 生体適合性 医療機器およびツール用
- 陶器のような – マット仕上げで硬い。
バインダー・ジェット
バインダージェッティング3Dプリンティングでは、液体結合剤を選択的に堆積させ、粉末材料を層ごとに結合させます。このプロセスでは、2つの材料 – 粉末基材と液体結合剤を使用します。バインダーは粉末粒子を結合し、一度に1つの薄い層を形成します。
バインダージェッティングの利点
- 優れた材料強度と安定性
- 多孔質構造の可能性
- 豊富な素材オプション
- 比較的速い印刷
バインダージェッティングの理想的なアプリケーション：
- 金属鋳造と砂型鋳造
- フルカラーオブジェクト
- 多孔質機能部品
- 大型セラミック部品
バインダージェッティングの主な限界は、粗い表面仕上げと多孔質材料の特性である。強度や仕上がりを向上させるには、浸透が必要な場合が多い。
バインダー・ジェット材料
バインダージェッティングは、液体バインダと組み合わせた様々な粉末材料を利用することができます。材料のオプションは以下の通りです：
- 金属 ステンレス鋼、アルミニウム、工具鋼、インコネル、チタン、貴金属
- 砂 – 砂型鋳造用鋳型および中子用
- セラミックス アルミナ、ジルコニア、リン酸三カルシウム、ガラス
- プラスチック ナイロン、PBT、TPU、PMMA
- 鋳物砂 – 金属鋳造用金型および中子用
指向性エネルギー蒸着（DED）
直接エネルギー堆積法（DED）は、レーザー、電子ビーム、プラズマアークなどの集束した熱エネルギー源を使用し、材料を堆積させながら溶融させて融合させる。DED 3Dプリンティングでは、金属粉末やワイヤーからパーツを製造することができます。
DED印刷の利点：
- プリント金属部品の優れた構造的完全性
- 大量生産が可能
- 印刷金属による優れた材料特性
- 蒸着ヘッドは多軸アームやロボットシステムに搭載可能
DED印刷の理想的な用途：
- 金属機能部品および最終製品
- 既存の金属部品の補修と機能追加
- 航空宇宙および航空部品
- カスタマイズされた金属製医療用インプラント
- 自動車部品
DEDの限界には、微細形状の解像度が低いこと、粉末床溶融技術に比べて速度が遅いことなどがある。装置も非常に高価である。
DED材料
DEDは、以下のようなさまざまな金属から部品を印刷するために使用される：
- ステンレス鋼 – 316L、17-4、15-5など。
- アルミニウム AlSi10Mg、AlSi7Mg、Scalmalloyなど。
- チタン Ti6Al4V、市販の純チタン、ニッケルチタン。
- 工具鋼 H13、D2、M2高速度鋼。
- 超合金 – インコネル625、718など
- 貴金属 金、銀、プラチナ。
パウダーベッドフュージョン（PBF）
パウダーベッドフュージョン（PBF）3Dプリンティングとは、熱エネルギーによってパウダーベッドの領域を層ごとに選択的に融合させるプロセスを指します。2つの主要なPBF技術は、選択的レーザー焼結（SLS）と直接金属レーザー焼結（DMLS）です。
選択的レーザー焼結(SLS)
SLS印刷の仕組み：
- 熱可塑性パウダーをビルドプレートに薄く延ばす
- レーザーが粉末をスキャンして焼結し、固形部品に融合させる
- ビルドプレートが下がり、さらにパウダーが散布される
- 層ごとの焼結は部品が完成するまで続く
SLS印刷の利点：
- 優れた材料特性と機械的強度
- 多様な熱可塑性プラスチック素材が利用可能
- 必要最小限のサポート構造
- 複雑な形状が可能
SLS印刷の理想的な用途：
- 機能的プロトタイプ
- 最終用途部品とハウジング
- 治具や固定具などの製造ツール
- カスタマイズされたナイロン部品
SLSの欠点としては、表面が多孔質であること、微細形状の解像度が低いこと、小型機では造形量が少ないことなどが挙げられる。また、材料費も高くつくことがある。
SLS材料
一般的なSLS熱可塑性材料には、以下のようなものがある：
- ナイロン11、12 – 強く、半可撓性のエンジニアリング熱可塑性プラスチック。最も一般的なSLSプラスチック。
- TPU 92A ゴムのような性質を持つ柔軟なポリウレタン。
- 覗き見 – 優れた機械的特性を持つ耐熱性熱可塑性プラスチック。
- アルミド – アルミニウムパウダー入りのナイロンコンポジットで、金属を模している。
- カーボンマイド – 強度を高めるためにカーボンファイバーを使用したナイロンコンポジット。
ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）
DMLS印刷の仕組み：
- 金属粉末の薄い層をビルドプレートの上に広げる。
- 高出力レーザーが指定されたエリアの粉体を溶融・融解させる
- プレートが下がり、より多くのパウダーが上に分配される
- 部品が完成するまで、層ごとに溶融を続ける
DMLS印刷の利点：
- 優れた材料特性を持つ完全高密度金属部品
- 複雑な形状やカスタム合金も可能
- 必要最小限の支持構造
- 高価な金属材料を効率的に使用
DMLS印刷の理想的な用途：
- 金属製機能試作品
- カスタムメイドの医療用インプラント
- 航空宇宙および自動車部品
- 金属の追加による金型の補修
- ブラケットなどの軽量カスタム金属部品
DMLSは、より大きな金属部品の印刷に時間がかかり、DEDプロセスよりも設備コストが高い。正確な合金組成を確認することは困難です。
DMLS材料
DMLSは、一般的な金属合金とエキゾチックな金属合金の両方の印刷に使用される：
- ステンレス鋼 – 17-4、316L、304L、15-5など。
- アルミニウム AlSi10Mg、AlSi7Mg、Scalmalloyなど。
- チタン – Ti6Al4V ELI、グレード5、グレード23。
- 工具鋼 H13、P20、D2、M2高速度鋼。
- インコネル インコネル625、718。
- コバルト・クローム CoCrMo、BioDur CCM Plusなど。
連続液体インターフェイス製造（CLIP）
CLIP（Continuous Liquid Interface Production）3Dプリンティングは、紫外線画像投影面の下に酸素透過性の窓を設け、紫外線硬化型フォトポリマー樹脂のプールからモデルを連続的に作成する。
CLIPプリントの仕組み：
- 酸素透過性の窓からUV光が液状の樹脂バットに照射される
- ビルドプラットフォームが下がり、硬化した樹脂が窓の上に露出する。
- UVライトのパターンが樹脂を硬化させ、ボトムレイヤーがプラットフォームに融合する。
- 硬化樹脂の連続的な引き抜きにより、非常に速い印刷速度を実現
CLIP印刷の利点：
- 超高速印刷 –SLAより最大100倍高速
- 生産性の高い製造技術
- 優れた表面仕上げと繊細なディテール
- SLAに比べて低い運用コスト
CLIP印刷の理想的な用途：
- プラスチック部品の量産
- 大量プロトタイピング
- 補聴器ハウジング
- 歯科用アライナーと器具
- プラスチック製エンクロージャーとハウジング
限界としては、製造量が少ないこと、現在利用可能な材料の選択肢が少ないことが挙げられる。しかし、この技術は急速に進歩している。
CLIPマテリアル
現在のCLIP 3Dプリンティング用フォトポリマー樹脂材料には、以下のものがある：
- リガーRPS – 耐熱性を備えた頑丈な素材。
- リガーBPA – 光学的に透明な素材。
- リガーABA – 多目的プラスチック素材、手頃な価格で印刷が簡単です。
積層造形 (LOM)
積層造形(LOM)は、薄いシートを熱と圧力で貼り合わせ、その断面を1層ずつ切り出していく。
LOM印刷の仕組み
- 紙、プラスチック、または金属のシートが、ビルド・プラットフォームの上に転がされる。
- 加熱ローラーでシートを前層にラミネートする。
- レーザーまたは刃物で部品断面の輪郭を切断する。
- 余分な材料を切り取って取り除く
- その上にもう1枚シートを追加し、作業を繰り返す
LOM印刷の利点：
- 幅広いラミネート素材
- 追加のサポート材料は不要
- 大型オブジェの製作も可能
- 比較的低い設備コスト
LOM印刷の理想的な用途：
- 紙を重ねて作るコンセプト・モデル
- 家具や看板などの木製品
- 段ボール包装およびディスプレイ部品
- 繊維強化複合材料
パーツの精度と表面仕上げは、他の3Dプリンティングプロセスと比べて低くなる傾向がある。また、層状の材料は異方性の原因となる可能性があります。
LOMマテリアル
積層体の製造には、さまざまなシート素材を使用することができる：
- 紙 – 粘着紙、厚紙、カートンシート
- プラスチック ABS、ポリプロピレン、ポリカーボネート
- 金属 ステンレススチール、チタン、アルミニウム
- 複合材料 グラスファイバー、カーボンファイバー
マルチ・ジェット・フュージョン（MJF）
マルチジェットフュージョン（MJF）プリンティングは、インクジェットプリントヘッドのアレイを利用し、溶融剤とディテーリング剤をパウダーベッドに選択的に堆積させ、材料を層ごとに高精度で完全に溶融・融合させる。
MJF印刷の仕組み
- パウダーをビルド・プラットフォームに敷き詰める。
- プリントヘッドの定着剤とディテーリング剤
- 赤外線ランプが、定着剤が付着した粉体を溶融・融解させる
- 未融合のパウダーは、後で取り除くまでサポートとして機能する
- 部品が完成するまでレイヤーを重ねる
MJF印刷の利点：
- 優れた精度と表面仕上げ
- 優れた機械的特性
- 高速ビルドスピードによる生産性の高い印刷
- 支持構造不要
MJF印刷の理想的な用途：
- 優れた材料特性を持つ機能的なプロトタイプ
- 小ロット射出成形
- 耐久性が高く精密な最終用途部品
- 金型内のコンフォーマル冷却チャンネル
素材の選択肢は現在、HP社の高性能熱可塑性プラスチック数種に限られている。しかし、技術は急速に進歩している。
MJFマテリアル
MJFの3Dプリンティングは、HPの高性能熱可塑性プラスチックを利用している：
- PA 11 – 強度と耐熱性に優れたナイロン製。
- PA 12 – 優れた機械的特性を持つナイロンで、多くの用途に最適。
- PA 12 GB – グラスビーズ強化ナイロン12で剛性と寸法安定性を確保。
- 覗き見 – 耐熱性と優れた機械的特性を備えた優れた熱可塑性プラスチック。
選択的阻害焼結(SIS)
選択的阻害焼結（SIS）は、定着剤を使用して粉末材料を層ごとに選択的に結合させる。不要な領域での焼結を防ぐため、抑制剤が印刷される。
SIS印刷の仕組み
- パウダー材料はビルドプラットフォームに散布される
- 部品の輪郭を形成するために、インクジェットでインヒビターを付着させる。
- パウダーベッド全体が均一に熱や紫外線にさらされる
- 定着剤は、抑制剤がそれを防ぐ場合を除き、粉末を焼結させる。
- 各層の後に余分なパウダーを掃除機で取り除く
SIS印刷の利点：
- 高密度の金属、プラスチック、セラミック部品
- 支持構造不要
- 未使用のパウダーは再利用可能
- 材料の無駄を最小限に抑える
SIS印刷の理想的な用途：
- マス・カスタマイズされた消費者製品
- カスタマイズされた金具
- 陶磁器製アートウェアと装飾品
- 組立治具の製造
現在、商業的に提供されているのはExOneなど数社のみだが、将来的にはもっと普及する可能性がある。
SISマテリアル
選択的阻害焼結にはいくつかの材料を使用できる：
- プラスチック – ナイロン11および12、TPUエラストマー。
- 金属 ステンレス鋼、工具鋼、青銅、タングステンカーバイド。
- セラミックス 珪砂、アルミナ、リン酸三カルシウム、ジルコニア。
- ガラス ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス。
結論
さまざまな3Dプリント技術があり、それぞれがユニークな機能を備えています。各プロセスの主な特性を理解することで、必要な材料、精度、表面仕上げ、造形速度、コストなどの要素Copyに基づいて、特定の用途に最適なテクノロジーを選択することができます。FDMやSLAのような最も一般的な技術は、コンセプト・モデリングやプロトタイピングのための経済的な選択肢です。最終用途のプラスチック部品の小ロット生産では、MJFやSLSが高い生産性で優れた機械的特性を提供します。宝飾品、医療機器、高度なエンジニアリング部品は、マテリアル・ジェット、CLIP、バインダ・ジェットなどの技術により、優れた精度と表面仕上げの恩恵を受けることができます。DEDとDMLSは、航空宇宙、自動車、医療用の機能的金属部品を直接印刷するための新しい扉を開きます。システムの高速化、低コスト化、高性能化に伴い、3Dプリンティングは、ほぼすべての業界において、製品の設計、カスタマイズ、製造方法に革命をもたらしています。
よくある質問
最も手頃なデスクトップ3Dプリント技術は何ですか？
FDM（Fused Deposition Modeling：溶融積層造形）は、一般に、今日の趣味やビジネスにとって、最も手頃で利用しやすいデスクトップ3Dプリント技術です。Creality、Prusa Research、FlashForgeなど、低価格で優れた機能を提供するFDM 3Dプリンターが数多くあります。
最高の表面仕上げと細部の解像度を提供する技術は？
ステレオリソグラフィー（SLA）とマテリアル・ジェット（MJ）は、一般的な3Dプリンティング技術の中で、最高品質の表面仕上げ、微細な形状、全体的な部品精度を提供します。しかし、設備コストは大幅に高くなる傾向があります。
機能的な金属部品に最適な3Dプリントプロセスは？
直接エネルギー堆積法（DED）と直接金属レーザー焼結法（DMLS）は、完全に高密度で機能的な金属部品を3Dプリントするための主要技術の2つです。DEDは溶接された金属粉末やワイヤーからパーツを造形し、DMLSは金属粉末層を選択的に溶融・融合させます。
マスカスタマイズされたプラスチック製品に最適な技術とは？
HPのマルチジェット・フュージョン（MJF）は、優れた機械的特性を持つ精密プラスチック部品の経済的な小ロット生産を可能にし、マス・カスタマイゼーションや迅速な製造に理想的なソリューションです。また、このプロセスは非常に高速です。
セラミック部品は3Dプリントできますか？
はい、いくつかの3Dプリント技術はセラミック材料をサポートしています。バインダージェッティングは、粉末材料と液体バインダを結合させることで、大きなセラミック物体をプリントすることができます。選択的阻害焼結も、粉末を層ごとに焼結することで高密度のセラミックパーツを可能にします。
最速の3Dプリントプロセスは？
連続液体界面造形（CLIP）は、現在利用可能な最速の3Dプリント技術であり、SLA 3Dプリントの最大100倍の速度で機能的なプラスチック部品をプリントすることができる。そのため、大量生産用途に適している。デスクトップCLIPプリンターが利用可能になりました。
