3Dプリンターとは
3Dプリンター (英: 3d printer) とは、3次元データを元に印刷された断面を積層していくことで立体物を生成する機器です。
3Dプリンターは「熱溶解積層メソッド (FDM: Fused Deposition Modeling) 」「光造形メソッド (SLA: Stereolithography) 」「粉末焼結積層造形メソッド (SLS: Selective Laser Sintering) 」「インクジェットメソッド」「インクジェット粉末積層メソッド」の5種類に大別されます。
家庭用としては、「熱溶解積層メソッド」「光造形メソッド」の2種類が使われることが多いです。
3Dプリンターの種類ごとの用途・原理・メリット
1. 熱溶解積層メソッド (FDM: Fused Deposition Modeling)
使用用途
フィギュアや模型などの制作
原理
熱可塑性樹脂を0.5mm前後の細いノズルから吐出することで印刷を行います。
メリット
- 本体が安価
- 材料が安価なため低価格で印刷可能
- 一般的用途の3Dプリンターとして主流
デメリット
- サポート材が必要
- 印刷時に発生する積層痕による造形物の外観の悪化
印刷可能な材料
PLA樹脂、ABS樹脂等
図1. 熱溶解積層メソッド
2. 光造形メソッド (SLA: Stereolithography)
使用用途
モックアップや舞台用小道具などの作成
原理
光硬化する液体樹脂に光を当てることで硬化させて印刷を行います。
メリット
造形後の加工が容易で、透明の印刷物を作成可能
デメリット
- 印刷物は太陽光に弱い
- 印刷物の後処理に手間がかかる
印刷可能な材料
エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂等
図2. 光造形メソッド
3. 粉末焼結積層造形メソッド (SLS: Selective Laser Sintering)
使用用途
工業機器の部品や医療用インプラント
原理
粉末状の材料を、選択的に加熱・焼結させることを一層ずつ繰り返すことで印刷します。
メリット
サポート材の必要なしに大規模で強度のある構造物を印刷可能
デメリット
- プリンター本体を含め、設備が高価である
- 印刷物の表面がざらざらである
印刷可能な材料
図3. 粉末熱結積層造形メソッド
4. インクジェットメソッド
使用用途
医療用部品・小ロットの製品製造
原理
紫外線硬化性の材料をあたかも普通のプリンターで印刷するように二次元上に配置したのちに紫外線を照射させ硬化させることで印刷を行います。
メリット
設置が容易で高分解能の印刷が可能
デメリット
印刷物は、脆く、太陽光に弱い
印刷可能な材料
エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂等
図4. インクジェットメソッド
5. インクジェット粉末積層メソッド
使用用途
医療用部品・小ロットの製品製造
原理
石膏上に接着材を配置し硬化させることで印刷を行います。着色剤を用いることでカラーでの構造物を作成できます。
メリット
設置が容易で高分解能の印刷が可能
デメリット
印刷物の強度が低い
印刷可能な材料
石膏、樹脂、金属、砂等
図5. インクジェット粉末積層メソッド
3Dプリンターの使い方
3Dプリンターは、樹脂を溶解することで設計した構造物を積層していくことができます。
準備の必要があるものと実際の手順をご説明します。
準備する必要のあるもの
- パソコン
- 3Dプリンター
- 立体的なCAD図を設計するための3DCADソフト
- スライスソフト
- スライスソフトは、3次元データをツールパスデータに変換する機能を持っています。
- フィラメント
- フィラメントは積層する材料です。3Dプリンターの積層方法によって種類が異なりますが、PLA樹脂やABS樹脂などが初学者には多く利用されています。
3Dプリンターで構造物を積層するまでの手順
1. 構造物を積層するには3DCADソフトを利用することで3次元データを作成します。
2. 3Dプリンターが3次元データを読み込めるようにSTL形式のデータに変換します。
3. STL形式のデータをツールパスデータに変換します。
4. 3Dプリンター作動
5. 構造物に支持材として溶着している副材を取り除きます。
6. バリなどを表面処理することで滑らかな仕上がりになります。
図6. 3DCADデータからツールパスデータへの変換
取り扱えるフィラメントの材料
3Dプリンターは機器の種類や素材の溶解方式などによって取り扱える材料に制限があります。
たとえば樹脂に対応している3Dプリンターであれば、一般的な柔らかい樹脂から固い樹脂まで取り扱うことができます。そして、金属に対応しているタイプであれば金属の構造物を積層することが可能です。3Dプリンターの種類によっては幅広く材料を取り扱えるタイプもあります。
ここでは取り扱えるフィラメントの材料として樹脂と金属に焦点をあてて説明を行います。
樹脂製フィラメント
3Dプリンター用フィラメント(PLA樹脂) – 画像出典元: Amazon
樹脂製のフィラメントの種類として初学者から上級者まで多く使用されている樹脂にはPLA樹脂やABS樹脂があります。
この他の樹脂材料にはナイロンや石膏、ゴム、エポキシ系などがあります。
1. PLA樹脂
トウモロコシなどを主成分としたポリ乳酸から構成されている再生材料から合成された樹脂です。
2. ABS樹脂
アクリロニトリルやブタジエン、スチレンから構成されている合成樹脂です。
金属製フィラメント
金属製のフィラメントの種類にはステンレスや真鍮、チタン、プラチナ、シルバー、ゴールドなどが挙げられます。
この他には特殊な素材として青銅が粉末として含有されたフィラメントなどがあります。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp
https://www.jstage.jst.go.jp
https://www.ricoh.co.jp
https://3dprinter.co.jp
https://i-maker.jp
https://www.ricoh.co.jp