3D プリンターの仕組みと用途

積層造形としても知られる 3D プリンティングは、デジタル ファイルを使用して 3 次元の固体オブジェクトを作成するプロセスとして定義されます。 3D プリント プロセスでは、オブジェクトの作成が完了するまで、「プリンター」によって材料の層が連続して配置されます。 この記事では、3D プリントの仕組み、ソフトウェア、アプリケーションについて説明します。

積層造形としても知られる 3D プリンティングは、デジタル ファイルを使用して 3 次元の固体オブジェクトを作成するプロセスです。 3D プリント プロセスでは、オブジェクトの作成が完了するまで、「3D プリンター」によって材料の層が連続して配置されます。

3D プリントされたオブジェクトは、プリンターが目的のものが「プリント」されるまで材料の層を重ねていく加算プロセスを通じて作成されます。 各層は、印刷物の断面を細かくスライスしたものと考えることができます。 3D プリントを使用すると、従来の製造方法に必要なほど多くの材料を消費することなく、複雑な形状を作成できます。

3D プリンティングの操作スタイルは、フライス盤などの機器を使用して材料を切り出したり、くり抜いたりする「サブトラクティブ マニュファクチャリング」とは逆です。 逆に、積層造形では、物理的なオブジェクトを作成するために金型や材料ブロックは必要ありません。 代わりに、材料の層を積み重ねてそれらを融合します。

3D プリンティングは、迅速な製品作成、初期の固定インフラストラクチャの低コスト、および複数の種類の材料を使用して複雑な形状を作成する機能を提供しますが、これは従来の製造ソリューションでは効率的に行うことができない可能性があります。

一般に、3D プリンティングはアマチュアや愛好家の DIY (Do It Yourself) 文化と関連付けられていますが、商業用途や産業用途を含むまでに成長しました。 たとえば、今日のエンジニアは、プロトタイピングや軽量の幾何学的オブジェクトの作成に 3D プリンターをよく使用します。

3D プリンティングの起源は「ラピッド プロトタイピング」にあります。 1980 年代にこの基本テクノロジーが初めて発明されたとき、当時 3D プリントは量産コンポーネントではなくプロトタイプの作成にのみ適していたため、この用語がそれを説明するために使用されました。 実際、その作成の当初の目的は、単に迅速なプロトタイピングを通じて新製品の開発を加速することでした。

興味深いことに、このテクノロジーは最初に導入されたときはあまり関心を集めませんでした。 1981 年、日本の児玉英夫氏は、フォトポリマーの硬化に UV 光を利用する機械に関する最初の特許を申請しました。 3 年後、フランスの発明家オリヴィエ・ド・ウィット、ジャン・クロード・アンドレ、アラン・ル・メホートが共同で同様の技術の特許を申請した。 どちらの特許も放棄され、ゼネラル・エレクトリック社は、後者には「顕著なビジネスの可能性が欠けていた」と述べた。

アメリカの発明家チャールズ・ハルが「光造形による三次元物体の製造装置」の特許を申請したのは1984年のことだった。 彼は STL ファイルを発明し、3 年後の 1987 年に 3D Systems を設立しました。

同じ 10 年以内に、選択的レーザー焼結 (SLS) と溶融堆積モデリング (FDM) に関する特許が出願され、米国の 3D プリンティング分野で大きな進歩が見られました。 Desktop Manufacturing (DTM) Corp. と Stratasys は、ほぼ同時期に設立された 3D プリンティング分野の先駆的企業でした。

その後、急速な商業化が進み、業界は変革しました。 最初の「3D プリンター」は大型でコストがかかり、メーカーは大規模な自動車、消費財、健康製品、航空宇宙メーカーと工業用プロトタイピングの契約を獲得するために競い合いました。

1987 年までに、3D Systems は最初の商用グレードの SLA プリンタを導入しました。 1992 年に、Stratasys と DTM はそれぞれ最初の商用 FDM プリンタと SLS プリンタをリリースしました。 最初の金属 3D プリンタは、1994 年にドイツの企業である Electro Optical Systems (EOS) によって導入されました。

新世紀の幕開けまでに、3D プリンティング分野の企業は利益を求めて熾烈な競争を繰り広げていました。 材料科学の進歩と多数の特許の失効により、3D プリンティングの手頃な価格が増加しました。

すぐに、3D プリンティング分野の進歩のおかげで、製造プロセスは重機と資本の支援を受けた企業が独占的に所有するものではなくなりました。 現在、3D プリンティングは、さまざまな種類の生産コンポーネントを作成するための最先端のソリューションに変わりました。

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ISO/ASTM 52900 は、積層造形の一般原則と用語に関連しており、3D プリンティング プロセスを 7 つの異なるグループに分類しています。 3D プリントの種類ごとに動作が少し異なります。

3D オブジェクトの印刷にかかる時間は、印刷の種類、出力サイズ、素材の種類、必要な品質、セットアップ構成によって異なります。 3D プリントには数分から数日かかる場合があります。

3D プリントには次のような種類があります。

粉体層溶融（PBF）では、電子ビームまたはレーザーの形の熱エネルギーが粉体層の特定の領域を選択的に溶融して層を作成します。 これらの層は、部品が作成されるまで相互に構築されます。

PBF には焼結または溶融プロセスが含まれる場合があります。 ただし、主な操作方法は変わりません。 まず、再コーティング ローラーまたはブレードがビルド プラットフォーム上に粉末の細かい層を置きます。 次に、熱源を使用して粉体層の表面をスキャンします。 このソースは粒子の温度を選択的に上昇させて、特定の領域を結合します。

熱源が断面または層をスキャンすると、プラットフォームが下降して、次の層に対してプロセスが繰り返されます。 最終的な出力は、周囲の粉末が影響を受けずに残る、溶融部分を含むボリュームです。 その後、プラットフォームが上昇して、完成したビルドを取得できるようになります。 粉末床溶融には、選択的レーザー焼結 (SLS) や直接金属レーザー焼結 (DMLS) など、いくつかの標準的な印刷方法が含まれます。

SLS は、プロトタイプや機能コンポーネント用のポリマー部品の製造に定期的に利用されています。 SLS 印刷は、パウダー ベッドを唯一の支持構造として使用して行われます。 追加の支持構造がないため、複雑な形状を作成できます。 ただし、製造された部品は内部の多孔性と粗い表面を特徴とすることが多く、通常は後処理が必要です。

SLS は、選択的レーザー溶解 (SLM)、電子ビーム粉末床融合 (EBPBF)、および直接金属レーザー焼結 (DMLS) に似ています。 ただし、これらのプロセスは金属部品の作成に使用され、粉末粒子を一度に 1 層ずつ融合するためにレーザーに依存しています。

DMLS は粒子の温度を融解点までのみ上昇させ、それによって粒子が分子レベルで結合します。 一方、SLMは金属粒子を完全に溶解します。 これらの技術はどちらも熱を大量に消費するため、支持構造が必要です。 プロセスが終了すると、CNC 機械加工または手動でサポート構造が削除されます。 その後、部品は後処理中に残留応力に対処するために熱処理されます。

これらの金属 3D プリント技術により、高品質の物理的特性を備えたコンポーネントが作成され、場合によっては使用される卑金属よりもさらに堅牢になります。 表面仕上げも優れていることが多いです。 材料に関して言えば、これらの技術は、他のプロセスでは使用が難しい金属超合金やセラミックを加工できます。 ただし、DMLS と SLM はどちらもコストがかかり、システムのボリュームによって出力サイズが制限されます。

VAT 光重合は、デジタル光処理 (DLP) とステレオリソグラフィー (SLA) の 2 つの方法論に分けることができます。 これらのプロセスはどちらも、光源を使用してバット内に保管されている液体材料 (通常は樹脂) を選択的に硬化させることにより、コンポーネントを一度に 1 層ずつ作成します。

DLP は、完成した各層の画像をバット内の液体の表面に「フラッシュ」することによって機能します。 一方、SLA は液体を硬化するために単一点 UV 源またはレーザーに依存します。 印刷が完了したら、出力から余分な樹脂を除去する必要があります。その後、強度をさらに高めるためにアイテムを光にさらす必要があります。 サポート構造がある場合は、後処理で除去する必要があり、部品をさらに処理して高品質の仕上げを作成できます。

緻密な仕上がりを美しく表現できるため、高度な寸法精度が要求される出力に最適です。 したがって、DLP と SLA はプロトタイプの製造に適しています。

ただし、これらのメソッドの出力は脆弱であることが多く、機能的なプロトタイプにはあまり適していません。 これらの部品の色や機械的特性も太陽光の紫外線で劣化する可能性があり、屋外での使用には適していません。 最後に、サポート構造が必要になることが多く、傷が残る場合がありますが、後処理で取り除くことができます。

バインダー ジェッティングは、ポリマー砂、セラミック、金属などの粉末材料の微細な層をビルド プラットフォーム上に堆積させることによって機能します。 この後、プリント ヘッドが接着剤の液滴を滴下してこれらの粒子を結合します。 したがって、部品は層ごとに構築されます。

金属部品は、青銅などの低融点金属を熱的に焼結するか、溶浸する必要があります。 セラミックまたはフルカラーポリマーで作られた部品は、シアノアクリレート接着剤を使用して飽和させることができます。 通常、出力を完了するには後処理が必要です。

バインダージェッティングには、大規模なセラミックモールド、フルカラーのプロトタイプ、3D 金属印刷など、数多くの用途があります。

マテリアル ジェッティングは概念的にはインクジェット印刷に似ています。 ただし、インクを紙に挿入する代わりに、1 つまたは複数のプリント ヘッドを使用して液体材料の層を堆積します。 各層は、次の層が製造される前に硬化されます。 材料の噴射は支持構造に依存しますが、建物の完成後に洗浄できる水溶性物質を使用して作成できます。

この高精度のプロセスは、さまざまな種類の材料を使用してフルカラーのパーツを作成するのに適しています。 ただし、コストがかかり、生成物は脆くて劣化しやすい傾向があります。

溶融堆積モデリング (FDM) では、加熱されたノズルを使用してフィラメント スプールを押出ヘッドに供給します。 押出ヘッドは材料の温度を上昇させ、所定の領域に配置して冷却する前に材料を軟化させます。 マテリアル レイヤーが作成されると、ビルド プラットフォームが下降し、次のレイヤーを配置する準備が整います。

このプロセスは材料押出とも呼ばれ、リードタイムが短く、コスト効率が高いのが特徴です。 ただし、寸法精度が低く、滑らかに仕上げるためには後加工が必要となる場合が多いです。 また、出力は異方性、つまり一方向に弱くなる傾向があるため、重要なアプリケーションにはあまり適していません。

シート積層はさらに、超音波積層造形 (UAM) と積層造形物製造 (LOM) の 2 つの技術に分類できます。 UAM はエネルギーと温度の要件が低く、超音波溶接を使用して薄い金属シートを接合することで機能します。 ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどのいくつかの金属に使用できます。 一方、LOM では、材料と接着剤の層を交互に配置して最終出力を作成します。

この技術では、レーザー、電気アーク、電子ビーム、または別の形式の集束熱エネルギーを使用して、粉末またはワイヤの原料を配置したときに溶融します。 このプロセスは水平方向に行われてレイヤーが作成され、その後、垂直方向に積み重ねられてパーツが作成されます。 セラミック、ポリマー、金属など、さまざまな種類の材料に適しています。

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3D プリンティングの分野はソフトウェアに大きく依存しており、出力のデザインから G コードへのスライス、3D プリンターの制御に至るまで、あらゆることにプログラムが必要です。 アプリケーション全体でトップの 3D プリント ソフトウェアをチェックしてみましょう。

MatterHackers によるこのソリューションは、オールインワンのプリンター ホスト、スライサー、デスクトップ用 CAD ソフトウェアです。 ユーザーは CAD セクションで新しいモデルを作成し、スライスすることができます。 モデルの印刷準備が完了すると、MatterControl 2.0 を使用して、USB 接続または Wi-Fi モジュール経由で印刷を直接監視および制御できます。

このソフトウェアは直感的なインターフェイスを備えており、ユーザーは印刷物にインポートできる幾何学的プリミティブのコレクションを探索できます。 これらのプリミティブは、標準トライアングル言語 (STL) ファイル上の位置にドラッグして印刷し、サポート構造として指定できます。

MatterControl を使用すると、ユーザーは高度な印刷設定にアクセスできるため、エンドツーエンドの設計、サポートの準備、スライス、および制御に最適です。 エンタープライズ ユーザーは、さらに価値のある機能を得るために MatterControl Pro にアップグレードできます。

この無料のブラウザベースのソリューションを使用すると、ユーザーは印刷可能な 3D モデルをデザインでき、ソリッド モデリングを練習するための出発点となります。 使いやすいブロック構築機能により、ユーザーは基本的な形状を使用してモデルを作成できます。

Tinkercad には、ユーザーが目的のデザインを作成するのに役立つ多数のガイドとチュートリアルがあり、それらは簡単にエクスポートまたは共有できます。 そのライブラリを使用すると、ユーザーは何百万ものファイルにアクセスでき、必要な形状を見つけて変更できるようになります。 最後に、サードパーティの印刷サービスとの直接統合が特徴です。

この無料のオープンソース ツールは、初心者と上級ユーザーの両方に適しています。 機能が豊富で、3D モデリングやスカルプトだけでなく、アニメーション、レンダリング、シミュレーション、ビデオ編集、モーション トラッキングにも使用できます。 ただし、学習曲線は急峻です。

このオープンソース ソリューションは、包括的な樹脂印刷スイートであり、優れたファイル ビューアであり、マスクされた SLA のレイヤー修復と操作用に最適化されています。 PrusaSlicer と互換性があるため、ユーザーは多数のサードパーティ MSLA プリンタ プロファイルにアクセスできます。

ツインステージ モーター コントロール (TSMC) は UVTools の重要な機能であり、各レイヤーの異なる動作部分の段階的な印刷速度を可能にします。 これにより、印刷時間が短縮され、印刷が成功する可能性が高まります。

最後に、UVTools を使用すると、ユーザーは新しい樹脂をテストし、さまざまな層の高さに応じて適切な構成を設定するためのカスタム樹脂層の硬化時間校正プリントを作成できます。

このブラウザベースのソリューションを使用すると、フル機能のスライサーでファイルを開かなくても、G コードをプレビューできます。 ユーザーは G コード ファイルをアップロードするだけで、WebPrinter にファイルが 3D プリンターに送信するツール パスが表示されます。 これは、潜在的な 3D プリント出力を表示するための迅速かつ簡単な方法です。

このオープンソース スライサーは、ほとんどの最新の 3D プリンターと互換性があります。 Cura は使いやすく、迅速で直感的であるため、初心者に最適です。 一方、上級ユーザーはこれを活用して、印刷を調整するための 200 の設定にアクセスできます。

Simplify3D は、3D プリントの品質を向上させる強力なスライシング ツールです。 CAD をレイヤーにスライスし、モデルの問題を修正し、最終出力のユーザー プレビューを表示します。 そのプレミアム機能は、企業で頻繁に使用される 3D プリンターに便利です。

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3D プリンティングは最近の発明ではありませんが、そのシンプルさ、効率性、費用対効果の高さにより、最近業界全体で非常に人気が高まっています。

3D プリントの主な用途は次のとおりです。

建築は 3D プリントの重要な用途の 1 つです。 コンクリート 3D プリンティングは、研究者が構造物をより速く、より安価に構築する方法を模索していた 1990 年代から研究されてきました。 建築における 3D プリンティングの具体的な用途には、付加溶接、粉末結合 (反応性結合、ポリマー結合、焼結)、押出成形 (フォーム、ワックス、セメント/コンクリート、ポリマー) などがあります。

現在、コンクリートを印刷するように設計された大型 3D プリンターは、基礎を流し込み、敷地の壁を建てるために使用されています。 また、現場での組み立て用にモジュール式コンクリート断面を印刷することもできます。 これらのソリューションにより、人件費を削減し、無駄を最小限に抑えながら、より高い精度、より複雑な、より迅速な構築、および機能統合の向上が可能になります。

2016 年、スペインで微細鉄筋コンクリートを使用して最初の歩道橋 (長さ 12 メートル、幅 1.75 メートル) が 3D プリントされました。 1 年後、ロシアに最初の完全 3D プリント住宅が建設されました。 600 枚の壁要素が 3D プリントされて組み立てられ、その後、総面積約 300 平方メートルの屋根と内装が作成されました。

3D プリントは、建築スケールのモデルの作成にも役立ちます。 必要が生じた場合に備えて、月や火星に地球外居住地を建設するための解決策としても検討されています。

従来の射出成形によるプロトタイピングの場合、1 つの金型を製造するのに数週間かかり、コストは最大で数十万ドルに達します。 記事の前半で述べたように、3D プリントの本来の目的は、プロトタイピングをより迅速かつ効率的に行うことでした。

3D プリンティング技術により、製造のリードタイムが最小限に抑えられ、プロトタイピングを数時間以内に従来の数パーセントのコストで完了できるようになります。 これは、ユーザーが反復ごとにデザインをアップグレードする必要があるプロジェクトに特に最適です。

3D プリントは、大量生産する必要がない製品や、通常はカスタマイズされる製品の製造にも適しています。 SLS と DMLS は、プロトタイプだけでなく、最終製品の迅速な製造にも使用されます。

ヘルスケアでは、3D プリンティングによって医療および歯科分野の新製品開発のためのプロトタイプが作成されます。 歯科分野では、3D プリンティングは、金属歯冠を鋳造するためのパターンの作成や、歯科用アライナーを作成するためのツールの製造にも役立ちます。

このソリューションは、膝や股関節のインプラントやその他の在庫品を直接製造したり、パーソナライズされた補綴物、補聴器、矯正用インソールなどの患者固有の品目を作成したりする場合にも役立ちます。 特定の手術用の 3D プリントされたサージカル ガイドや、骨、皮膚、組織、臓器、医薬品の 3D プリントの可能性が研究されています。

航空宇宙分野では、3D プリントはプロトタイピングや製品開発に使用されています。 このソリューションは、研究者が高い業界標準に妥協することなく研究開発の厳しい要件に対応できるよう支援するため、航空機開発にも非常に役立ちます。 特定の非重要または古い航空機コンポーネントは、飛行のために 3D プリントされています。

自動車企業、特に F1 で使用されるようなレーシングカーに特化した企業は、プロトタイピングや特定のコンポーネントの製造に 3D プリントを活用しています。 この分野の組織は、スペアパーツを在庫しておくのではなく、顧客の要求に応じて生産することでアフターマーケットの需要を満たすために 3D プリンティングを使用する可能性も模索しています。

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「3D プリンティング」という用語には、さまざまな材料を使用してコンポーネントを製造するための幅広い機能を集合的に提供する多数のテクノロジーとプロセスが含まれます。 3D プリンティング タイプ間の主な類似点は、サブトラクティブ手法、成形、キャスティングを必要としない、積層ごとの積層製造プロセスです。 3D プリンティングのアプリケーションは、ソリューションがより効果的かつ手頃な価格になり、分野を超えて深く広く浸透するにつれて、業界全体で急速に出現しています。

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テクニカルライター