いまさら聞けない 3Dプリンター

前述のメリット・デメリットをふまえて、3Dプリンターがよく使われている工程、活用シーンについてご説明します。昨今の日本のものづくり現場では、市場の個々のニーズに合わせるため、多品種小ロットかつ高付加価値製品へのシフトがますます加速しています。
その中で、ものづくりの各工程において3Dプリンターが活躍する領域やできることがますます拡がってきていることから、製造業での3Dプリンターの活用が急速にすすみ、ものづくりを支える重要な役割を担っています。

生産現場で発生しうる問題を設計段階で洗い出すことで、多くの無駄を排除できます。
例えば、透明な造形物も出力できるため、流動性のテストなどが実施できます。
3Dプリンターがあれば設計しながらデータを形にし、「スムーズに組み立てられるか」「正しく動作するか」といった検証が可能となります。

製品の形状や構造、動作を確認するために試作は重要ですが、従来は製造に数日から数週間要するのが当たり前でした。
3Dプリンターであれば大幅に製造期間を短縮でき、試作を重ねることができます。
短期間に優れた製品をつくり上げるため、もはや3Dプリンターは欠かせないものとなっています。

工場で使用する治具に、3Dプリンターを活用することで、生産性を向上させたり、改善活動を活発化させたりできます。
また、金型に3Dプリンターを用いることで、より複雑な金型を短納期で入手可能になり、準備期間の短縮や低コスト化に貢献できます。

一品ものの特注品など少量であれば、3Dプリンターで最終製品を製造することも効果的です。
型などを用意せず、設計して即座に製造・出荷することが可能となるため、個々の顧客の要望に迅速に対応できるようになります。

3Dプリンターを実際に選定し使いこなすためには、造形方式の違いと材料視点から見る各方式の特長を理解する必要があります。

まず造形方式によって扱える材料が異なります。3Dプリンターは、材料を積層毎に前の層と新しい層をくっつけることで造形をしますので、造形方式はいわば"くっつけるための方法"とも言えます。そして材料はくっつける場所まで連続的に供給できなければいけません。"くっつけるための方法"は、溶融凝固・接着、重合・焼結。材料は液体・粉末・ワイヤーなどの形状となります。

プリンターの造形方式は大きく７つに分類されます。ここでは、代表的な４つの方式について詳しく解説していきます。

PBF（Powder Bed Fusion）とは、1面ずつ粉(Powder)を敷きつめ層を作り（Bed）、エネルギーを与えることで最表層を溶かし(Fusion)、その上に新な層を同プロセスで積層していく造形方式です。完成した造形物は未加熱粉末(未硬化粉末)の中に埋まった状態で完成するため、粉の中から取り出す発掘作業が必要です。ただし、未硬化粉末が造形物を支えるためサポート材の造形が不要というメリットもあります。そして未硬化粉末は再利用ができるため、材料の利用効率が高い点もメリットです。

さらにおさえておきたい点は、PBF方式は造形原理から材料制約があることです。PBF方式は3Dプリンターで樹脂融点のヒステリシス特性(ヒステリシス内部の温度帯・プロセスウィンドウ※) を利用した造形方式です。かつこの特性により造形の反りも抑制しています。よって、ヒステリシス特性が利用できる樹脂＝結晶性樹脂に限定されるのもこの造形方式の制約の１つと言えます。

(※)加熱により溶融すると溶融のタイミングで物質内に熱が取り込まれ、次に冷却していくと凝固のタイミングで熱が放出されます。1部の樹脂では、凝固と溶融の温度にズレが存在します。PBF方式はその温度帯(プロセスウィンドウ)に造形庫内温度を保つことで、凝固せず溶融状態を保ったまま積層を重ね、サポートレスや反り抑制の役割を果たしています。そのため材料毎に緻密な温度制御が必要となります。なお、造形原理に関する詳細は出典元の著書で詳しく解説しております。

次に、PBF方式における、材料別の方式の違いを解説します。PBF方式では、下記図のように樹脂材料と金属材料とで大きく分類され、かつそれぞれ2つの方式があります。

SLS（Selective Laser Sintering）方式
熱源としてレーザー光を用いた樹脂PBFです。PBFとしても最も古くから用いられている方式で、多量の造形物を一度に作るため大型造形機が各社から発売され、造形量の多い企業に使用されてきましたが、近年は小型で安価な製品も発売されています。

HSS（High Speed Sintering）方式
2003年に発明された比較的新しい造形方式です。インクジェット技術によって材料面に対し赤外線吸収材を吐出し、一気に加熱して造形するため高速造形が可能であり、かつSLS方式と比較して造形ポイントあたりの加熱時間(焼結)が長く強固である点も特長です。一見するとSLS方式と比較し大変効率的なプロセスですが、課題もあり、HSS方式は粉体の舞う高温乾燥下でインクジェット技術（微細なノズルヘッド）を使用しているため、ノズル詰まりをいかに回避し信頼性を確保できるかどうかが非常に重要となります。

SLM（Selective Laser Melting）方式
熱源としてレーザー光を用いた金属PBF方式です。金属の3Dプリンターとしては最もポピュラーな方式で、主に航空・宇宙・軍事・医療などの分野で数多くの応用事例があります。システム構成としてはSLS方式とほぼ同様ですが、扱う金属材料の重量や融点などの特性上、装置構成が大掛かりであり、金属のベースプレートの上へ造形し、熱応力による歪みや放熱のためにサポート形成も必要となります。ただし、技術の向上によりサポートレスが登場し始めております。

EBM（Electron BeamMelting）方式
熱源として電子ビームを用いる金属PBF方式です。電子ビームを用いるため造形中は真空状態の維持が必要となります。そのためSLM方式と比較してより強固なチャンバーを必要としますが、酸化の抑制という面では有利です。

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インクジェット技術を用いた造形プロセスです。造形物を構成する物質を液化した状態でインクジェットヘッドから吐出し、その後のプロセスで硬化させます。UV硬化樹脂をインクとしてヘッドから吐出し、UV照射によって硬化させ、造形層を重ね造形物を得る手法が一般的です。一部ではワックスを溶融させてインクとして使用するものもあります。

ノズルの穴径が数ミクロンから数十ミクロンと髪の毛よりも小さく細胞レベルであるため、吐出するインクの粘度に制限があり、低分子量の材料＝アクリル系樹脂に限定されえるため、最終製品同等の材料が扱えない点はデメリットとなります。
しかし、MJT方式で用いられるインクジェット技術は、もともと写真のようなフルカラー印刷のために発展したプロセスです。フルカラーかつ微細な造形が可能となり、（「実物そのもの」とまではいかずとも）意思決定可能なレベルまでイメージを寄せた造形の再現性により、意匠の最終確認に大変有効です。システム構成としてもヘッドを複数個配置することができるため、物理特性の違う材料を複数個使用し、部分的にパーツの硬さや質感を変えたり、複数材料を混合させ新たな特性を得ることも可能で、意匠性の確認という点では他の方式を凌駕しています。

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原材料をエクストルーダーから押し出し、X-Y走査で任意の形状に堆積していくプロセスです。一般的には熱可塑性樹脂（一般的にはフィラメント上の樹脂材料）をエクストルーダー内で加熱溶融させ、堆積後の冷却により凝固させることで造形します。

構造は他の造形方式と比較してシンプルであり、使用可能な樹脂に関しては、PBF方式のような原理的な制限がありません。よって、ABSやPLAといった汎用性の高い熱可塑性樹脂の使用が可能で、これらの樹脂を使用できる造形方式はMEX方式だけです。

しかし、冷えた樹脂に新しい層を重ねて都度固めていくことから、下に凸の応力が発生します。これが反りの原因となります。対策は造形物の温度を高い状態に保つこと(チャンバー搭載)と、材料自体の収縮率を下げることなどが多くのMEX方式の装置・材料で採用されています。
材料特性から見ても、MEXの材料は一般的に低融点の非結晶性樹脂が扱いやすいですが、上位機種では前記対策を施すことで、ULTEMのようなスーパーエンプラや結晶性のPA12を安定して造形することも可能です。

MEX(FDM)方式は原材料をフィラメント化することで非常にシンプルなシステム構成を実現しております。一方でこのフィラメント材料には以下のような課題もあります。

＜フィラメント材料の課題＞
・フィラメントの硬度には適正範囲があるため、高硬度・軟質の材料が使えない
・フィラメント経を大きくすることが困難なため、造形速度の制約となる

これらの課題を解決する手法として、ペレット式MEX方式が開発されました。

ペレット式MEX方式の特長

巨大造形
ペレット式材料の採用により、材料硬度の制約が少なくなり、使用できる材料の幅が増えます。かつフィラメント材料の材料供給に関する制約も解消されることで、格段に造形スピードが上がり、巨大造形も実現します。実用例として、小豆島国際ホテルに建てられた「MOON TOWER」の全長7.5mの球体の造形などがあります。

廃材を利用したアップサイクル
廃材を再利用し製品へとアップサイクルできる点もこのペレット式の特長です。実際に回収した容器等からペレットを生成し、材料として使用した実例もあり、プラスチックの資源循環の実現に向けても大変注目されております。また、廃棄される木材(端材やチップ)を活用したペレット材料の開発・造形などを通し、事業開発に取り組んでいる事例（以下の画像参照）もあります。

3Dプリンター用の代表的なオープンソースファームウェア・Marlinの課題を解決すべくKlipperが開発されました。Klipperはマシン振動をキャンセルするようヘッドを制御することが可能です。振動による精度低下を抑止し、造形品質の確保と造形速度の両立が可能になります。

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VPP方式(液槽光重合法)は一般的には光造形と呼ばれている造形方式です。光硬化性樹脂槽中に紫外線を照射し硬化させて造形していきます。よって、VPP方式で扱える材料は光重合する樹脂に限定されます。VPP方式のシステム構成では、紫外線を上からあてる(自由液面)か、下からあてる(規制液面)か、レーザー走査としてもベクタースキャン(ひとふで書き)か、ラスタースキャン(全面照射)かなど、以下の図で示すように、組み合わせによりシステム構成が多数存在します。

システム構成において、自由液面は、造形物が造形中に浮力を得ているため、重力影響が少なく大型造形に向いていますが、常に液槽内を樹脂材料で満たす必要があります。一方、規制液面は液槽内の樹脂は造形時に使用する量だけでよく、交換も容易にできますが、造形物は液面上に引き上げられるため重力影響を受けます。
この様にVPP方式は、構成の組み合わせ次第で特徴が異なるため、用途や重視したい機能面を踏まえて選択することが重要です。

扱える樹脂としては光重合する樹脂に限定されますが、MJT方式と比べ粘度による制約がなく、UV硬化となるアクリル系樹脂に熱硬化となるエポキシ系樹脂を混ぜたハイブリット樹脂の登場により、ABSに匹敵する強度の造形も可能となりました。その他にも、異方性・耐久性・耐熱性・難燃性・生体適合性など、各々の課題を解決する材料が登場し、材料特性の課題も大幅に改善されます。
また、高速化の技術も進んできており、Z方向の造形スピードが最大100mm/hrと、非常に高速な機種も複数登場しています。

以下に、3Dプリンター用の樹脂材料の分類を図示します。各方式の原理と合わせて理解することで、材料視点での機種選定がスムーズになりますので参考にされてください。

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