近年大注目の3Dプリンタ！種類や特徴などを徹底解説
実用化されて以来急速に普及が進み、いまやものづくりに欠かせない存在として重要な加工方法の一つである3Dプリンタ。
3Dプリンターを自社でも導入したい、どのような使い方ができるのか詳しく知りたい、と考える企業も多いのではないでしょうか。
本記事では
・3Dプリンタとは？
・3Dプリンタの造形方式の種類と特徴
・3Dプリンタの材料の種類
・3Dプリンタの選び方
などを解説します。
3Dプリンタについて種類や特徴を知りたい方、これから3Dプリンタの導入を考えている方はぜひ最後までご覧ください。
3Dプリンタとは？
3Dプリンタは、3Dデータを元に立体物を作り出す機械です。
3Dのデータを薄くスライスして2次元形状を作り、その2次元形状を積み上げながら3Dデータと同じ形の立体モデルを作り上げていきます。
切ったり削ったりする除去加工や、素材の形を変形させる塑性加工、変形加工と異なり、材料を追加していく加工という意味で、アディティブマニュファクチャリング（additive manufacturing)とも呼ばれています。
通常のプリンタが紙にインクを使って平面的な絵や文字を印刷するのに対し、3Dプリンタはプラスチックや金属などの材料を少しずつ積み重ねることで、立体的な物体を作ります。
工程は、まず3Dデータをパソコンで作成し、それを3Dプリンタに送信します。
プリンタはこのデータを元に、材料を一層ずつ積み上げて形を作っていきます。
これにより、模型、部品、さらには日常品まで、様々なものを作ることが可能です。
例えば、おもちゃやスマホケース、さらには医療用の義肢まで作ることができます。
3Dプリンタは、今では加工方法の選択肢の一つとなり、ものづくりの現場に普及しています。
3Dプリンタの造形方式の種類と特徴
ここでは、3Dプリンタの造形方式の種類とそれぞれの特徴について解説します。
造形方式については以下の通りです。
・熱溶解積層方式（FDM）
・光造形方式（SLA / DLP）
・インクジェット方式
・バインダージェット方式
・粉末床溶融結合方式（PBF=パウダーベッド方式）
・メタルデポジッション方式
それぞれを詳しく見ていきましょう。
熱溶解積層方式（FDM）
熱溶解積層方式（FDM）とは、3Dプリンタ世界シェアNo.1である米国Stratasys社が開発した方式です。
現在、3Dプリンタにおいて主流の方式でもあります。
熱で溶かした樹脂をノズルから押し出し、ソフトクリーム製造機のようなイメージで、一筆書きで１層１層積み重ねて造形していきます。
この画期的な方式はストラタシス創設者のスコットクランプがグルーガンを見て想起したという逸話が残っています。
材料の自由度が高く、装置の価格も比較的低価格なものが多いことから、広く普及しています。
熱収縮を考慮する必要があり、厳密な寸法精度を出す用途には向いていませんが、生産数量が少ない試作品や、試作段階における型の造形などに適しています。
光造形方式（SLA/DLP）
光造形方式（SLA/DLP）は最も古い3Dプリンターの方式です。
紫外線によって硬化する特性を持つ液体樹脂を材料として、紫外線照射によって一層ずつ硬化させ造形していきます。
光造形方式（SLA/DLP）は、造形に時間がかかるものの、大型の製品をつくることができるSLAと、比較的速い速度で造形できるものの大型の製品は苦手とするDLPのふたつの方式に分かれます。
エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などの透明樹脂による造形が可能ですが、強度の求められる用途には向いていませんが、なめらかな仕上がりにできるため、モックアップの製造に適しています。
インクジェット方式
インクジェット方式という通称もありますが、正式分類では材料噴射法と言います。
その名の通り、材料を噴射し、それに対し光を当てて１層１層積んでいきます。
構造が2Dプリンタでいうインクジェットプリンタに類似していることから、インクジェット方式と呼ばれています。
主材となる樹脂を噴射するマテリアルジェッティングと、粉末材料に対して結合剤を吹き付けるバインダージェッティングのふたつの工法があります。
マテリアルジェッティングは精細な造形や色分けをしながらの造形も可能です。
バインダージェッティングは骨格模型や砂型の製造など特殊な用途で使われることが多い工法です。
バインダージェット方式
バインダージェット方式（Binder Jetting）は、液体結合剤（バインダー）を金属粉末に噴射し、層ごとに固形化していく方式です。
造形速度が非常に速い点が強みです。
この技術は、金属粉末を迅速に固めるため、他の方式に比べて生産時間を大幅に短縮できます。
金属粉末の上に積層されるため、サポート材を使用せずに複雑な形状の造形が可能である点もポイントです。
また、未使用の金属粉末は再利用可能なため、材料の無駄を最小限に抑えることができます。
高速な作業性からプロトタイプの作成に広く利用されています。
高い造形速度と複雑な形状の造形能力は、設計段階での迅速な評価や調整に最適です。
また、航空宇宙や自動車、医療分野では、軽量かつ複雑な部品の製造に適しており、カスタムメイドの製品や少量生産のニーズに応えています。
粉末床溶融結合方式（PBF=パウダーベッド方式）
パウダーベッド方式は、金属粉末を敷き詰めた床に光線を照射し、その熱で焼結させる方式です。
金属のほかにナイロンや樹脂も用いられるケースがあります。
従来は金属を3Dプリンターで造形する際の主要な方式でした。
ナイロン樹脂やエラストマーのほか、金属やセラミックによる造形も可能です。
メタルデポジッション方式
粉末床溶融結合方式は敷き詰めた粉末床（パウダーベッド）に対してレーザーを照射するのに対し、メタルデポジッション方式は粉末の噴射とレーザーの照射を同時に行いながら造形していく方式です。
金属の3D造形としては造形スピードが早く、金属粉末を除去する作業が不要というメリットがあります。
3Dプリンタの材料の種類
3Dプリンターの材料は多岐にわたり、用途や造形方式に応じて選ばれます。
主要な材料は以下の通りです。
・フィラメント
・レジン
・金属材料
・高精度造形材料
それぞれを詳しく見ていきましょう。
フィラメント
フィラメントは、熱溶解積層方式（FDM）で使用される主要な材料で、以下のような種類があります。
・PLA（ポリ乳酸）：生分解性があり、低温で造形可能で、比較的初心者に適している
・ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）：高強度と耐久性が特徴で、機械的な部品作りには欠かせない
・PETG（ポリエチレン・テレフタレート・グリコール）：強度と柔軟性を兼ね備え、透明性も持つため、幅広い用途に使用される
これらのフィラメントは、それぞれ異なる特性を持っているため、用途に応じた選択が必要です。
レジン
レジンは、光造形方式（SLA/DLP）で使用される材料で、以下のような種類があります。
・標準レジン：一般的なプロトタイピングに適しており、滑らかな表面仕上げが可能
・エンジニアリングレジン：高強度や耐熱性など特定の特性を持ち、機能部品の製造に適している
耐熱レジンは高温環境下でも形状を保つ特性があり、耐衝撃レジンは機械的な強度が求められる用途に使用されます。
使用用途に応じて適切なレジンを選ぶことが、製品の性能に大きく影響するでしょう。
金属材料
金属材料は、レーザーや電子ビームで粉末を溶融する方式で使用されています。
一般的な金属材料の種類には、以下のような種類があります。
・ステンレス鋼：耐食性と強度に優れ、機械部品やツールに適している
・アルミニウム：軽量で加工しやすく、航空宇宙や自動車部品に広く使用
・チタン：高強度で軽量、耐腐食性があり、医療用インプラントや高性能部品に使用
これらの金属材料は、高強度と耐久性が求められる用途に最適です。
高精度造形材料
高精度造形のために開発された材料です。
高精度造形材料には耐熱性樹脂、生体適合性樹脂などの種類があり、高靭性、高温耐性、生体適合性などの特性を持っています。
医療機器、電子部品、マイクロ流体デバイスなどの高度な製造要件に対応しています。
3Dプリンタの選び方
3Dプリンタは、造形方式や使用できる材料の種類が多く、どんな3Dプリンタが適しているのか判断が難しい場合があります。
ここでは、3Dプリンタの選び方について解説します。
3Dプリンタを選ぶ際のポイントは以下の通りです。
・造形方式から選ぶ
・サイズから選ぶ
・使用する材料から選ぶ
・制度で選ぶ
それぞれを詳しく見ていきましょう。
造形方式から選ぶ
製作したい造形物の用途に適した造形方式を選ぶ方法です。
例えば、熱溶解積層方式（FDM）は積層したときの層が目立ち、研磨や塗装にあまり適さないため、外観が重要な製品には不向きです。
ただし、扱いやすく造形も比較的早いため、試作や治工具の造形に向いています。
インクジェット方式は薄い造形物を得意としていて、表面の仕上がりがなめらかなのも特徴です。
また、着色して造形することもできます。
このように、造形方式によって特徴が異なるため、使用したい目的や造形したい製品の用途から造形方式を考え、3Dプリンタを選ぶのは合理的な方法といえます。
サイズから選ぶ
3Dプリンターはどの造形方式においても、原理としてはかなり大きなサイズのものも造形可能です。
しかし、プリントヘッドの可動範囲には機種ごとに決まった限度があり、それによって造形できるサイズも変わってきます。
当然ながら、同じ造形性能を持つ場合には、大きなサイズを造形できる3Dプリンタのほうが購入コストは高くなります。
造形したいもののサイズとコストのバランスを検討して選ぶことが大切です。
使用する材料から選ぶ
造形物をどういった目的や環境で使用するかによって、適している材料が変わってきます。
目的の製品に適した材料を考え、その使用が可能な3Dプリンタを検討しましょう。
精度で選ぶ
3Dプリンタを工業用途で使用する場合、精度は非常に重要な要素になります。
精度重視の場合は一般的に光造形が選択されますが、光造形の中でも装置の品質や材料特性によって精度や寸法安定性は大きく左右されます。
また積層ピッチが細かく表面が滑らかにつくれることと、寸法精度が高いことはイコールではないため、工業用手で導入する場合は、事前にテスト造形を行うなどして評価することも重要です。
3Dプリンタの性能だけでなく、造形物に合わせて適した設計と造形条件の設定をすることが大切になってきます。
まとめ
今回は3Dプリンタについて種類や特徴を知りたい方、これから3Dプリンタの導入を考えている方向けに
・3Dプリンタとは？
・3Dプリンタの造形方式の種類と特徴
・3Dプリンタの材料の種類
・3Dプリンタの選び方
などを解説しました。
今回はいくつかの代表的な造形方式や材料を紹介しましたが、3Dプリンタの導入を検討する際にぜひ参考にしていただけると幸いです。
最後までご覧いただき、ありがとうございました。
