3Dプリンターとは・最新立体造形方式の種類と活用方法を解説

3Dプリンターとは、CADなどで作られた3次元データを利用して立体をプリントアウトするプリンターのことです。3Dプリンターは、データを元にその立体の断面を積み重ねることで、立体の造形を可能にします。この記事では、3Dプリンターの種類や、その活用法を解説します。

3Dプリンターとは

3Dプリンター

3Dプリンターとは、3次元データ作成ソフトウェア(3D CGやCAD)により作られた3次元データから、立体をプリントアウトするプリンターのことです。3Dプリンターは、データを元にプリントアウトする物体の断面を作成し、それを積み重ねるように出力していきます。私たちが普段よく使っているプリンターは、インクを使用して文字や画像などを紙にプリントしますが、3Dプリンターの場合は、樹脂をさまざまなやり方で硬化させて造形していきます。少し前までは未来の技術だと考える人も多かった3Dプリンターですが、今や個人向けにも販売されているほど身近な存在になっています。ここからは3Dプリンターの種類や、その特徴をご紹介していきます。

3Dプリンターの種類

3Dプリンターのプリント方式は、その方法や対象物により違いはあるものの、3Dデータを基にして立体を成型することに変わりはありません。基本的にはデータを基に対象物の断面を積み重ねる形で造形していきますが、その過程で樹脂などの素材に紫外線などを当てたり、熱や接着剤を使ったりすることで硬化させていきます。

粉末法

この方式の3Dプリンターは、粉末の樹脂素材をハイパワーのレーザー光線などを使って焼き固めることで成形します。オーバーハングなどの成形が難しい形状の物や複雑な形状の物をプリントアウトすることに優れていて、素材も幅広く選べることが特徴です。

・レーザー焼結法
レーザー焼結法は、融点が低い合成樹脂や、高融点の耐熱金属にも使えるプリント方式です。噴射した素材にハイパワーのレーザーを当て、加熱することで成形します。
・放電焼結法
放電焼結法は、導電性を持つ金属素材(青銅、ニッケルなど)を使う場合に行われる方法です。導電性のない樹脂には使えませんが、プリント精度が高いことが特徴です。
・粉末固着式積層法
インクジェットから、素材を結合させるための光硬化性樹脂を噴射することで、粉末素材を固めてプリントアウトする方法です。フルカラー、そしてスピーディな造形が可能なので、フィギュアなどの製作によく使われます。ただ、仕上りに若干のざらつきが出ることと、やや耐久性に劣ることが弱点です。

光造形法

光造形法は、紫外線を当てることで素材(液体樹脂)を硬化させる造形法です。3Dのプロトタイピングは、この光造形法から始まりました。紫外線を浴びると反応し、固まる性質を持つ樹脂(光硬化樹脂)を使うことで立体成型します。
光造形法では、液体の光硬化樹脂に、部品断面同様のパターンの紫外線を当て、その硬化した層を繰り返し積み上げることにより成形します。
光造形法にも種類があり、素材となる液体樹脂が入った液槽に向けて上から紫外線を照射する方法と、透明な液槽の下側から紫外線を照射する方法があります。また、紫外線と同時にインクジェットで液状の光硬化樹脂を注入して固める方法もあります。
光造形法のメリットはスピーディに、比較的精度の高い造形が可能なこと。造形物の形状にもよりますが、数時間から1日程度の時間をかければ製造することが可能です。(一般的な大きさの光造形機の場合)
また、熱による影響が少なく、材料にダメージを与えることがあまりありません。プリントアウトした造形物の加工も容易で、メッキ、切削などの作業もやりやすいことも特徴です。透明なモデルの製作にも適しています。
ただ、光造形法はコストがかかりがちなことがデメリット。光硬化樹脂の価格、そして業務用光造形3Dプリンターの価格もひじょうに高価です。ただ、最近ではホームユースの光造形3Dプリンターの中には、50万円程度の低価格で手に入れられる製品も登場しています。

FDM法(熱溶解積層法)

FDM法は、高温で溶かした熱可塑性樹脂(ねつかそせいじゅし)を積み重ねて立体成型する方法。この形式の3Dプリンターだけが、ポリカーボネートやABSなどの熱可塑性樹脂を扱うことができます。このタイプの3Dプリンターは比較的安価ですが、樹脂に熱を入れることから、造形時に慣れが必要です。
FDM法を使う3Dプリンターは、溶かした樹脂を積み重ねていくだけなので仕組みがかんたん。ただ、それぞれの樹脂で溶解温度や収縮率などが異なることから、作業に熟練を要し、また条件データを積み重ねる必要もあることは、この方法の弱点と言えるかもしれません。一般向けに販売されている安価な3DプリンターのほとんどがこのFDM法を採用したものです。

インクジェット法

インクジェット法は、バインダ剤と呼ばれる粒子状の結合材を噴射して立体造形する方法。インクジェット方式のプリンター同様の仕組みを使ってバインダ剤を噴射しています。造形物をさまざまなカラーで作ることも可能で、フルカラー対応の製品もあります。硬化させる方法としては、光を当てる方法や、ワックスを使う方法などが中心で、アクセサリーや歯科における型など、ある程度の精度が必要な物に使用されます。
インクジェット法のメリットはいくつかありますが、素材の無駄があまり出ないこと、そして液の微調整が可能なため、繊細な表現ができる=繊細な造形が可能なことがまず挙げられます。数種類の素材に対応していること、また、液槽を使わないので設置へのハードルが低いこともメリットと言えるでしょう。最近は原型製作用にも使われていて、インクジェットにより製作したモデルから作られる量産品も存在します。

3Dプリンターの使い道

3Dプリンター

3Dプリンターは、主に製造業で使われていますが、そのほかにも「航空宇宙」「医療」「建築」など幅広い分野へも普及しています。最近の3Dプリンターは、精度はともかく幅広い素材が使用できるようになっていることから、混合素材やフルカラーによる造形も可能になっています。製造業では試作品やモックアップの製作、航空宇宙分野ではロケットエンジンのパーツ作り、医療分野では手術用の検討モデル、さらに建築分野ではミニチュアモデルの製作にも使用される3Dプリンター。個人利用も進み、10万円以下のリーズナブルな3Dプリンター市場も活性化しています。

試作品製作

さまざまな分野で利用が進む3Dプリンター。試作品製作用として多くの企業が3Dプリンターを導入しています。これまではコンピュータ上でしか見ることのできなかった設計モデルも、3Dプリンターが出力する「実物」により、より細かくイメージすることができるようになり、営業やプレゼンテーション用として重宝します。

ロケットや航空エンジンのパーツ製作

ロケットや航空エンジンのパーツは精密で複雑、そして大量生産の必要がないため3Dプリンターでの生産が向いています。3Dプリンターをパーツ生産に利用することにより、すでに製造の終わった古い航空機用のパーツを作ることも可能になりました。宇宙ステーションでの3Dプリンター使用実験もすでに行われています。
3Dプリンターは、このようにさまざまな物の製造に利用されているほか、すでに個人での利用も広がっており、もはや「革命的技術」ではなく、われわれの身近に感じられる技術になりました。今後も人類の生活クオリティ向上に、3Dプリンターの技術が貢献してくれることに疑う余地はありません。