3Dプリンターの原理とは?

3Dプリンターには共通の原理があります。それが積層して物体を作るという点です。プラスチックや金属、セラミックなど、あらゆる素材で共通している原理です。これまで物体を作る技術は塊を削るか、溶かして型に押し込むかのどちらかが中心でしたが、3Dプリンターは積み上げるという原理によって、新たな価値を提供し始めています。

積層原理とは?

積層する原理はさまざまです。一言で3Dプリンターといっても積層するためのアプローチがさまざまです。のちに各原理の仕組みについて詳しくご紹介していきますが、「どの素材を、どのぐらいの大きさで、いかに正確に、早く積層するか?」という点が、3Dプリンターの性能を決めています。

他の加工技術との違い

3Dプリンターは他の加工技術とは違い、さまざまな点が異なっています。品質や経済性、生産性、プロセス、すべての面で従来の加工技術とは違う特長を持ち、積層するという原理が、選択しを広げています。他の加工技術との違いは以下の通りです。

 

3Dプリント

切削

加工性

高い。自在

限定される

限定される

見た目

積層跡が残り、後加工が必要

綺麗。滑らか

綺麗。滑らか

精度

精度にばらつきがある

高い。

高い。

生産性

低い。1個~数十個

サイズによっては数百個

高い。千個~数万個、それ以上も。

低い。1個単位

経済性

低い。1個から可能。

高い。百万円単位の投資が必要。

低い。1個から可能。

リードタイム

短い。数時間から数日

長い。数週間

短い。数日から1週間程度

プロセス

3Dデータから3Dプリント。

試作と型の調整が必要。

2次元CAM3次元CAMから切削。

3Dプリンターのプロセス

3Dプリンターを行うプロセスはとてもシンプルです。基本的には以下の流れで行われます。

  1. 3Dデータを作る
  2. 3Dデータをスライスソフトで開き設定する
  3. 3Dプリンターに設定したデータを送る
  4. 3Dプリント
  5. 後処理

という流れです。それでは上記のプロセスをご紹介します。

3Dデータを作る

3Dプリントを行うためには3Dデータを作る必要があります。

3Dデータとは?

ここでいう3Dデータとは3DCGデータではなく、完全立体のポリゴンデータになります。3DCGデータは表面の見た目だけが作られており、完全立体というデータにはなっていません。そのため3DCGデータから3Dプリントを行うことはできません。ここでいう3Dデータとは一般的にはCADデータなどに代表されるデータです。

3Dプリントできるデータ形式

3Dプリントできるデータ形式はSTL形式か、Obj形式のデータになります。STL3D CADソフト用のファイルフォーマットの一つで、三角形のポリゴンで形成されているデータです。

一方、Obj形式のデータWavefront社が開発した3Dモデルフォーマットで、こちらも点群データで構成されています。Obj形式ではカラーテクスチャなどを付与することができます。

一部の3Dプリンター以外、STL形式かObj形式で書き出ししないと3Dプリントできません。

スライスソフトで設定する

次にSTLObjに書き出された3Dデータを3Dプリンター用のスライスソフトで開きます。スライスソフトとは、いわば、3Dデータをどのように3Dプリントするかの設定を行うソフトです。3Dプリンター専用のスライスソフトもあれば、オープンソースのスライスソフトもあります。

スライスソフトとは?

スライスソフトとはどのような役割を担っているのでしょうか?3Dプリンターの原理は冒頭でもご紹介した通り、積層して物体を作ります。スライスソフトでは、いうなれば3Dデータをどのように積層するかを設定するためのソフトです。設定する概要は以下の項目になります。

  1. どのような方向で積層していくか?
  2. 積層ピッチ(どのぐらいの厚み)でプリントするか?
  3. サポート材はどのようにつけるか?
  4. どの位置でプリントするか?
  5. 何個プリントするか?

という点です。

こうした項目は、30万円以上の3Dプリンターであれば、自動で設定してくれるケースが多いですが、低価格タイプの3Dプリンターですとすべて人の手で設定する必要があります。

このプリント設定が3Dプリントの品質に影響を与えます。

3Dデータを3Dプリントに送る

スライスソフトで3Dプリントの設定ができたら、3Dデータを3Dプリンターに送ります。送り方は3種類あります。Wifi経由で送付するか、USBケーブルで送る、もしくはUSB端末にさして送るなどがあります。

3Dプリントを行う

3Dデータが3Dプリンターに送られたらいよいよ3Dプリントです。3Dプリンターはスライスソフトで設定した通りに動きます。各造形方式ごとの特長は後述しますが、3Dプリントは自動で行われるため、完成するまで待ちます。

⑤後処理を行う

3Dプリンターが完成後には後処理が必要になります。この後処理は造形方式別に異なっていますが、サポート材といわれる支え材を除去する作業が必要です。いかに代表的な造形方式の後処理についてご紹介します。

FDM方式の後処理

FDM方式の3Dプリンターの後処理はサポート材の除去が中心です。サポート材専用の材料を使用する場合には、手で取り外したり、溶剤で溶かしたりが必要です。一方、造形材料と同じ材料でサポート材をつける場合、手やニッパーなどを使用して取り外します。

光造形方式の後処理

光造形方式は3Dプリントが終わったあとにIPAやエタコールといったアルコール類で洗浄が必要です。洗浄といっても表面についた余分なレジンを除去することが目的で、アルコールにつけておくだけです。洗浄が終了したあとは乾燥させてサポート材を取り外します。光造形方式はサポート材専用材料がないので、ニッパーや手で取り外します。

PolyJet方式の後処理

PolyJet方式はサポート専用材料があります。サポート専用材料は溶剤やウォータージェットで弾き飛ばすことが可能です。

3Dプリンターの仕組み

ここからは各造形方式別の3Dプリンターの仕組みをご紹介してまいります。3DプリンターはFDMや光造形方式などが一般的によく知られていますが、実はさまざまな種類が登場しています。

FDM/FFF方式の原理と仕組み

FDM方式は3Dプリンターの原理の中でも最も代表的な仕組みです。もともとストラタシスが開発した造形技術で、特許が失効後、さまざまな3Dプリンターが登場しています。ちなみにFDMという名称はストラタシスの登録商標なため、FFFという言い方をしています。

FDM/FFF方式の仕組みとは

FDM/FFF方式の仕組みはシンプルです。フィラメントといわれる糸状のプラスチックをノズルに通して加熱し、溶かして積み上げていきます。ノズルは200度から300度近い高温になり、フィラメントが溶けて積み上がります。

この積層が0.1mmや0.2mmなどのピッチで積み上がり、積層された一つの物体になります。

FDM/FFF方式の特長とは

FDM/FFF方式の3Dプリンターはソフトクリームのように積み重ねる非常にシンプルな原理ですが、第一の特長として、本物の熱可塑性樹脂が使えるという点が特長です。熱可塑性樹脂はABSやナイロン、ポリプロピレンなど工業用製品に多数使用されています。強度がありしっかりした造形物を作ることができます。

FDM/FFF方式の問題:反り

FDM/FFF方式の課題として、熱収縮による反りや、形状変化があります。ノズルを通ったフィラメントはいったん溶けて、積層され、自然に冷えて固まります。その際、冷えることでフィラメントが熱収縮を起こします。その際、ABSやナイロンといった材料は反りあがる傾向にあります。

またフィラメント材料は空気中の湿気を取り込みやすい素材で、ご使用前に十分に乾燥することが必要です。湿気を吸収すると反りが強くなったり、ノズルが詰まったりします。

光造形方式の原理と仕組み

3Dプリンターの仕組みの中で、光造形方式も代表的な原理の一つです。光造形方式はUV硬化性樹脂に紫外線を照射して硬化しますが、実はさまざまな方式が登場しています。

SLA

光造形方式の代表的な原理がSLAです。紫外線をビーム状にして照射する方式で、基本的ににはガルバノミラーに紫外線を当てて、反射してUVレジンに照射します。特長としては高精細で滑らかな造形ができますが、場所によっては紫外線ビームが斜めに当たるため、精度がばらつく場合もあります。

LFS

LFS方式はSLA方式の進化版です。Formlabsが開発した技術で、レーザー稼働部分をユニット化することで、通常のSLAの弱点であるレーザーの当て方のばらつきを解消しました。常に垂直に一定にレーザーがあたるため造形する場所でも精度にばらつきがありません。

DLP

DLP方式は紫外線をプロジェクターを使って充てるタイプの光造形方式です。SLAとは違い、面で紫外線をあてるため一度に複数プリントしても造形時間は1個の場合と変わりません。

LCD

LCD方式もDLPと同様、面で紫外線を照射するタイプの光造形3Dプリンターです。DLPがプロジェクターなのとは違い、LCD液晶ディスプレイ(LCDパネル)を使用します。低コストな反面液晶ディスプレイが消耗品なため、交換が必要で、精度もDLPSLAに比べて出にくいです。

CLIP

CLIP製法はDLPの進化版ともいうべき光造形方式です。光造形方式はUVレジンに紫外線が照射されて硬化しますが、硬化を阻害する要因として酸素が挙げられます。CLIP方式は酸素を除外することで、造形スピードを向上させ、高速造形実現した光造形方式です。

パウダーベッド方式(粉末床溶融結合)の原理と仕組み

パウダーベッド方式は、材料が粉末材料をベースにしており、そこにレーザービームを当てながら積層していく仕組みです。主に金属粉末やナイロン粉末が中心材料で、以下のような原理のものがあります。

SLS(レーザー焼結法)

パウダーベッド方式で最も代表的な原理がSLSレーザー焼結法といわれる造形方式です。

ナイロンや金属粉末にレーザービームを照射し、焼き固めて積層する仕組みです。造形物の上にパウダーが積み重なって作られるためサポート材が付かないのが特長です。材料は加熱されながらレーザーで焼結するため高強度なものが作れます。また材料が再利用できるのも特長の一つです。

DMLS

DMLSは基本的な原理は、上記のSLSと同じです。ベースは同じですがレーザーの種類が異なっており、SLSよりもより高精度で高出力な造形が可能になります。

SLM(レーザー溶融法)

SLM(レーザー溶融法)は、上記のSLSDMLSと基本原理は同じですが、焼結ではなく溶融して物体を作っていきます。基本的なレーザーの種類は上記DMLSと同じですが、出力がSLMのほうが高く、溶融しながら積層できるのが特長です。

EBM(電子ビーム溶解法)

パウダーベッド方式ではこれまでご紹介してきたレーザーを原理とするものではなく、電子ビームを使って積層する仕組みの3Dプリンターも登場しています。基本的な原理は同じですが、電子ビームの場合はレーザービームに比べて高出力、高速であり、精密な金属パーツを正確に3Dプリントすることができます。

インクジェット方式の原理と仕組み

3Dプリンターの原理の一つにインクジェット方式があります。インクジェット方式とは、マテリアルを微細なレベルで噴霧して積層していく方式です。一般的にインクジェット方式の3Dプリンターはマテリアルジェッティングとバインダージェッティングの2種類に分類されます。

マテリアルジェッティング

マテリアルジェッティングとは、その名前の通り、素材そのものをインクジェットにして噴霧する仕組みです。主にストラタシスのPolyJet方式がこれに該当します。紫外線で固まるUV硬化性樹脂を吹き付け、UV光を照射しながら硬化します。特長としては滑らかで微細な加工やフルカラー造形やマルチマテリアル造形が可能です。

バインダージェッティング

バインダージェッティングとは造形材料にバインダー(結合剤)で噴霧し固めて物体にする造形方式です。このバインダーに着色材をつけて色をフルカラーにすることもできます。

シート積層法の原理と仕組み

シート積層法とは、薄いプラスチックのシートを何枚も張り合わせてその後カットすることで造形物の形状にするという仕組みです。原始的でシンプルな仕組みなので複雑な造形物や内部が空洞などの中空の形状を作ることはできません。このタイプの3Dプリンターはほぼ販売されていない状況です。

超音波凝固(UAM3Dプリントの原理と仕組み

超音波凝固3Dプリントはシート積層法の応用版の造形方式です。超音波によって非常に薄い金属箔同士を接合させて積み重ねて物体を作り、その後CNC加工機によって余分な部分を取り除き、最終的な形状に加工していく手法です。ただこちらも機械としては販売されていない状況です。

BMD方式の原理と仕組み

3Dプリンターの中にはこれまでの技術を利用した新たな原理も登場しています。BMDといわれる方式もその中の一つです。バウンドメタルデポジションといわれる方式で、金属射出成形であるMIM(メタルインジェクションモールド)の原理とFDMの原理を応用したものです。

仕組みとしては、バインダーを配合した棒状の金属材料をノズルを通して積層します。ここまではFDM方式と近いですが、その後バインダーを抜き、焼結させるというプロセスをふむことで、本物の金属が造形できる仕組みです。

GDP方式の原理と仕組み

GDPGel Dispensing Printingといい、光造形やインクジェットと、FDM方式の融合のような原理です。大型3DプリンターMassivitのために開発された造形技術で、粘性の高いUV硬化性樹脂をノズルから押し出し、UV光を照射しながら固めて積層する仕組みです。非常に高速、かつ大型の造形モデルを作ることができ、展示会のブースやサインディスプレイなどの造形に最適です。