3Dプリンティングとは？ | 知っておくべきことすべて

3Dプリンティングの定義、技術、そして設計におけるベストプラクティスについて解説します。この技術が製造業をどのように変革し、ブランドやエンドユーザーにどのような力を与えているのかを理解しましょう。

製造業は今、未来を予感させる瞬間を迎えています。ソフトウェアと材料科学の融合により、クリーンでオンデマンド、そして費用対効果の高い製造プロセスが誕生しました。差別化が重視される世界において、3Dプリンティングはカスタム製品への高まる需要に驚異的なスピードで応えています。3Dプリンティングの市場規模は現在23.4億ドルに達し、成長を続けています。その詳細をご覧ください。

3Dプリントとは何ですか？

3Dプリンティングは、デジタル設計ファイルから1層ずつ部品全体を製造できる革新的な積層造形技術です。より少ない材料で複雑な製品を製造できるため、コスト管理にメリットをもたらします。 

ボタンを押すだけで科学的なアイデアを具体的な物体に変換できるのが、この技術の最大の利便性です。3Dプリントは、プラスチック、金属、生分解性素材を含むその他の素材にも使用できます。

3D プリントの歴史

3Dプリンティングは1980年代に登場しましたが、初期の頃は非常に高価な技術でした。現在では、3Dプリンティングはプロトタイプ開発における革新的なコスト削減技術であり、大量生産にも時折利用されています。ここでは、その始まりについて見ていきましょう。

1981年、日本の医師である児玉秀夫氏は、フォトポリマーの固化をベースとした初期のラピッドプロトタイピング法に関する研究を発表しました。彼はこのコンセプトについて特許を申請しましたが、組織的および財政的な支援が得られなかったため、完全なプリンターが完成する前に研究は中止されました。

1984年、チャールズ・ハルはレーザービームを用いて材料から完全な部品を造形するステレオリソグラフィーを発明しました。彼はこの技術の特許を取得し、3D Systemsという会社を設立しました。同社が初めて3Dプリントした製品は、1988年に発表されたSLA-1でした。 

1988年から1992年にかけて、カール・デッカードは、またしても斬新な3Dプリンティング技術を発明した。彼のデジタル印刷技術は、選択的レーザー焼結（SLS）を用いて、設計図から部品全体を作り出すものだった。カールの発明から間もなく、S・スコット・クランプは溶融堆積モデリング（FDM）方式のプリンターの特許を出願した。

1999年、初めて3Dプリントされた臓器が人間に移植されました。科学者たちは人間の膀胱の人工骨組みを印刷し、患者の体から採取した細胞で裏打ちしました。これにより、患者の命は救われました。

最初の SLS 3D プリンターは 2006 年に市販されました。これにより、工業用部品の低コストのカスタム製造が先導されました。 

3Dプリントはどのように機能しますか？

ステップ1：コンセプトと3Dデザインの作成

3D製造は、まず製品の意図された機能に合った特徴と形状を持つ概念設計から始まります。Fusion 360は、広く使用されている3D設計ツールの一例です。設計後、レビュー段階では、エラーを特定し、設計ビジョンを製造現場の現実に整合させるのに役立ちます。これには、コスト、時間、材料、業界規制などが含まれます。

ステップ2：ファイルの準備とスライス

スライシングとは、部品の設計図を3Dプリンターが読み取り可能な形式に変換するプロセスです。メーカーは、設計図をプリンター用の情報を持つ薄いレイヤーに変換します。これらの指示はGコードと呼ばれ、印刷温度、レイヤーの高さ、充填パターンなど、プリンターによる部品の造形方法を指示します。

ステップ3：プリンターのセットアップと材料のロード

メーカーは、造形直前に安全性、効率性、精度に関する重要なチェックを実施する必要があります。このセットアッププロセスでは、エンジニアが最適なキャリブレーションを見つけ、造形エラーを最小限に抑えます。適切な設定は、安定した送りとパーツの均一な接着も保証します。セットアップ段階における主要な作業には、以下のものがあります。

• 材料の選択 
• ベッドレベリング 
• 温度平準化

ステップ4: 印刷とリアルタイム監視

印刷プロセスが始まると、Gコード命令が基本的に機械を動かします。機械は、温度、湿度、材料供給、層の均一性など、さまざまな状態を最適な状態に保つセンサーと連携して、パーツ層を構築します。

設計者やエンジニアは、3Dプリントのプロセスを常に注意深く監視する必要があります。プロセスは自律的に行​​われますが、途中でパラメータを調整することで、設計レビュー段階で見逃されたエラーを検出できます。

ステップ5：後処理と品質検査

後処理段階では、3Dプリントされた部品を本来の用途で使用する前に、外観と構造を整える機会となります。この段階で実施される作業により、当初のプロジェクト要件への適合性が向上します。これには、部品のフィット感を向上させるための表面平滑化、汚染を防ぐための洗浄、溶剤洗浄などが含まれます。さらに、プリントされた部品の重合を完了させるために、最終的な後硬化プロセスが行われる場合もあります。

3Dプリントのメリット

3Dプリンティングは、製造業の根本的なルールを書き換えます。その効果は、立場によっては有益にも有害にもなり得ます。その最も強力な利点と限界をいくつか見ていきましょう。

クリエイティブなデザインに最適

3Dプリントの最も直接的なメリットは、広範な設計実験に対応できることです。設計から製造までの機械的な工程が少なくなるため、デザイナーは全く新しい形状や機能をテストする余裕が生まれます。さらに、プリント中の調整も容易かつ容易に行えます。3Dプリントは層ごとに製品を作成するため、高額な金型費用、プロセスの後退（ゼロからやり直す必要）、形状上の制約といった問題が発生することなく、製造を何度でも中断、再調整、再開できます。

アイデアのテストに役立つ

3Dプリンティングが主流になると、プロトタイピングの世界は瞬く間に活気づきました。積層造形によって、当初イノベーターを締め出していた主要なプロセスの複雑さが解消されました。今日では、高度な3Dプリンティング機器ははるかに安価になり、さらに入手しやすくなりました。つまり、新興企業は資金や技術の制約を受けることなく、新製品のアイデアを即座にテストできるのです。3Dプリンティングによるプロトタイピングなら、金型製作の遅延やコストは発生しません。新製品をより早く市場に投入できるのです。

コスト効率の高いカスタマイズ

従来の製造方法は大量生産向けに設計されていました。少量のカスタム部品が必要な場合、コストが高くなる場合があります。規模の経済性は少量生産には適していません。しかし、3Dプリントは少量生産に適しているため、製品のバリエーションで市場をABテストしたり、限定版製品を製造するための魔法の手段となります。

材料効率

消費率が急上昇するにつれ、地球温暖化は急速に進んでいます。しかし、無駄の多い製造方法も、この持続可能性の低さに大きく寄与しています。3Dプリンティングは、製造工程で発生する廃材がほとんどないため、資源への負荷がはるかに少ない製品製造方法です。

3Dプリントの欠点

限られた材料強度

3Dプリントされたプロトタイプが破損する場合、多くの場合、層に沿って破損します。層ごとに製造する方法では、層間の結合が弱くなります。これに対し、成形部品は部品の内部構造全体にわたって強固な結合を有しています。 

つまり、3Dプリントは高衝撃用途には適していません。より強度の高い部品を作るには接着剤を使用する必要がありますが、これは汚染につながる可能性があります。接着性の低い材料（例：ナイロン）を使用すると、不良率が増加します。

生産が遅い

3Dプリンティングは、スケーラビリティの概念を根本から覆す技術です。射出成形では1時間に数千個の部品を生産できるのに対し、3Dプリンティングでは1時間に1個の部品しか生産できません。これはコンセプトの検証段階では問題ないかもしれませんが、その応用はしばしば経済性と衝突し、時間と労力の面で製造コストの上昇につながります。

粗面仕上げ

3Dプリントの層別生産方式には、多くの欠点があります。先ほど、層間の結合が弱いことが部品の耐久性に及ぼす影響について見てきました。さらに、見栄えの悪さも大きな問題です。各層が接合された部分の細かい線は、最終製品にも残ってしまいます。3Dプリントのクライアントにとって、これは表面仕上げに多くの時間を費やす必要があることを意味します。しかし、仕上げ工程によってデザインの完全性（形状、機能、フィット感）が損なわれる可能性があります。

寸法の不正確さ

3Dプリントの熱依存性は、精度に大きなリスクをもたらします。仕上げ工程で生じる寸法のばらつきは、3Dパーツが冷却時に生じる反りや収縮に比べれば取るに足らないものです。わずかな大気の変化でさえパーツの品質に影響を与える可能性があるため、これは「一度セットして放っておく」ようなプリントプロセスではありません。メーカーにとって、これは欠陥や不良品による高額なコスト、頻繁な手直しによる許容できない遅延、そして公差や適合性の問題による製品リコールにつながります。

付加製造プロセスと減算・成形法

減算的製造は、積層プロセスで新しい部品を製造する際に必要な段階的な積層とは正反対のプロセスです。減算的アプローチでは、専用の機械を用いて固体ブロックから材料を切り出し、精密な部品を製造します。積層製造と減算的製造の違いは、コスト、効率、拡張性にあります。

違い	積層造形	サブトラクティブ・マニュファクチャリング
コスト	材料効率が低い	材料の無駄により高くなる
許容レベル	２０ mm	２０ mm
内部機能	可能	ありえない

コスト 

減算型製造工程では多くの材料が無駄になります。製造業者が削りくずやチップの再利用を計画しない限り、このアプローチは法外なコストがかかる可能性があります。3Dプリントの積層に見られるように、付加型製造は材料効率に優れています。後工程で欠陥を修正する場合でも、廃棄物の量はごくわずかです。 

効率化 

切削型製造における許容誤差は、積層型製造よりも小さくなります。ただし、この差は印刷技術や使用する材料によって大きくも小さくもなります。簡単に言えば、許容誤差の要件が緩いプロジェクトには積層型製造を使用し、許容誤差の要件が厳しいプロジェクトには切削型製造を選択するということです。 

複雑

切削加工では、材料の外観と外観に90%の重点が置かれます。チッピングでは部品の内部構造にまで到達することは現実的ではありません。積層加工では、積層工程で実用的な内部構造を導入できます。これには、一定寸法の中空経路、内部チャネル（流体またはガス流部品用）、多孔質部品などが含まれます。これにより、製品市場適合性を向上させることができます。

3D プリントではどのような材料を使用できますか?

3Dパーツの成否は、選択する材料に大きく左右されます。世界はあなたの思いのままです。3Dプリントに使用できる材料は、ここで挙げきれないほどたくさんあります。そこで、おすすめの7つの選択肢をご紹介します。

1. ポリ乳酸（PLAとも呼ばれる）

環境に配慮した製品を求めるメーカーにとって、PLAはまさにうってつけです。完全に再生可能な素材であるからです。コーンスターチから作られており、加工も容易で、250℃以下の温度で融解します。PLAは反りにくいという特徴もあります。

2. アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABSとも呼ばれる）

先に述べた3Dプリンティングの欠点の1つは、層間結合が弱いことです。ABS樹脂は、この課題に対する戦略的な解決策であり、強固な層間結合を形成します。実際の使用環境において、この独自の特性は、3DプリントされたABS部品の高い耐荷重能力を意味します。また、ABSは3Dプリントされたナイロン部品と比較して、耐衝撃性も優れています。

3. ポリエチレンテレフタレートグリコール（PETGとも呼ばれる）

PETG素材は、食品接触部品および製品の製造においてFDA（米国食品医薬品局）の承認を受けています。これは、新しい食品包装製品を開発する際の法的リスクやコンプライアンスリスクが低いことを意味します。

その他の利点としては、反りのリスクが大幅に低く、加工が容易（押し出し温度250℃）であることなどが挙げられます。PETGパットは耐湿性も備えています。

4. ナイロン（ポリアミドとも呼ばれる）（PA12 / PA6）

ナイロン部品は、摩耗、曲げ、高荷重が加わる環境下でも製品故障のリスクを低減します。最大押出温度は270℃ですが、高湿度にさらされると接着力が低下します。

5. ポリカーボネート（PC）

壊れにくいカスタム透明パーツを作る場合、ポリカーボネート3Dプリントが便利です。ノズル温度を280℃以上に高める必要がありますが、パーツの反りが少なくなります。3DプリントにおけるPCの利点は、堅牢な寸法安定性、高い耐衝撃性、そして優れた光学的透明性です。

6. 熱可塑性ポリウレタン（TPUとも呼ばれる）

TPUは、その母材であるプラスチックとゴムの本来の特性を受け継いでいます。TPUの押出温度は240℃と中程度です。その利点は以下のとおりです。

• 高い伸縮性 
• 高い耐衝撃性

7. 金属材料

3Dプリントは多様な金属に対応しており、強靭で剛性が高く、耐久性に優れた部品を出力できます。3Dプリントでよく使用される金属材料には、以下のものがあります。

金属	印刷温度（摂氏）	靭性。メガパスカル（MPa）	印刷部品の硬度。	表面粗さ（µm Ra）
アルミニウム合金	650	460	80（HRB）	15
ステンレス鋼	1360	1100	44 HRC	10-20
チタン合金グレード5	1360	900	36 HRC	25
コバルト	1600	1300	47 HRC	15
Inconel	1300	1434	30 – 35 HRCP	15

ポリマー3Dプリントプロセス

ポリマー3Dプリントのプロセスはシンプルで、部品は設計段階からレイヤー製造、そしてポストプリントへと進みます。各段階の間には、スライスやプリンター設定のキャリブレーションなどの準備作業が必要です。 

製造工程には、押し出し、焼結、溶融などが含まれます。これらの製造工程は、FDM、SLS、SLAなど、選択された技術によって異なります。

印刷後の段階では、印刷された部品はベースから取り外され、洗浄され、精度検査が行われます。最後に、部品は引張強度、疲労限界、曲げ強度など、様々な試験を受けます。

金属3Dプリントプロセス

金属3DプリントのプロセスはCAD設計段階から始まり、スライス、焼結、溶融、または融合へと進みます。設計承認後、モデルはプリント工程の準備が整います。この段階でスライス、またはCADデータを高解像度のレイヤーに変換します。

生産開始前に、エンジニアは出力品質を向上させるために重要な印刷パラメータを設定します。これには以下が含まれます。

• 融点 
• レーザー出力とスポットサイズ
• スキャン速度と回転ベクトル

実際の製造プロセスでは、リアルタイムの粉末の流れ、ガス循環、溶融池のモニタリングが行われます。より良い結果を得るために、エンジニアはレーザー照射とスキャンのオーバーラップも確認・改善します。また、時折層を再溶融させることで、造形物の強度向上にも役立ちます。

熱処理後すぐに後処理が始まり、印刷部品の構造強度を最適化することが目的です。ここで行われる表面改質作業には、化学研磨、放電加工、CNCフライス加工が含まれます。

適切な3Dプリントプロセスの選択

熱溶解積層法（FDM / FFF）

FDMは、プラスチックやゴムなどのポリマー材料を扱う際の時間とコストを節約します。これは、材料を加熱・溶融し、ノズルから押し出すという非常に簡略化された製造プロセスです。部品は、支持構造物によって固定されたベース上に、層ごとに成形されます。  

層間の弱さや表面粗さなどの FDM の欠点は、次の方法で制御できます。

• 最適な押し出し温度設定
• 層の高さを改善する
• 印刷速度のバランス
• 部品の向きの変更

ステレオリソグラフィー（SLA）/デジタル光処理（DLP）

ポリマーをベースとした積層造形技術のもう一つの例として、SLA（光造形法）があります。これは加熱や押出成形を必要とせず、代わりに液体樹脂（材料）にレーザー光を照射します。レーザー光によって材料が層ごとに硬化・固化されます。

SLAプリントにおける一般的な課題（パーツの収縮や層間剥離など）は、レーザー照射時間の改善、層厚の最適化、適切な樹脂の使用によって解決できます。より高品質な出力をお求めの場合は、SLAをお選びください。SLAは時間を節約し、FDMはコストを削減します。どちらを選ぶかはあなた次第です。 

選択的レーザー溶解 

材料を扱う場合、最も好まれるデジタル製造方法はSLM（選択的レーザー溶融）です。SLA（レーザー光造形）と同様に、高強度のレーザービームを使用して材料（鋼、アルミニウム、インコネル、コバルトなどの粉末）をスキャンします。SLAとは異なり、SLMではレーザーが設計図のGコード指示に従って材料を実際に溶融させ、部品を層ごとに成形します。

SLM で発生する一般的な問題には、表面粗さの増大、内部多孔性、残留応力などがあります。 

これらはすべて、後処理でのアニーリング、加熱、圧力圧縮によって軽減できます。

後処理と仕上げ

後処理は、部品を印刷ベースから取り外した後の出力の向上に関係します。 

ポリマーの3D後処理技術には、選択研磨、機械トリミング、超音波洗浄などがあります。金属の場合は、熱処理、アニーリング、熱間等方圧加圧（HIP）などの3D仕上げ技術を適用できます。 

3Dプリントソフトウェアとツール

使用されるテクノロジーに関係なく、ポリマーと金属の両方の 3D プリントは、次のようなさまざまなツールによって可能になります。

CADソフトウェア（コンピュータ支援設計）：これは、製造工程で使用する3D設計の作成を支援するソフトウェアです。一部のCADソフトウェアは、実際の設計シミュレーションや最適化にも役立ちます。業界をリードするCADソフトウェアブランドには、AutodeskやSolidWorksなどがあります。

3Dモデリングツール：CADデータを物理的なオブジェクトに変換するプロセスは、3Dプリントの基本的なワークフローの一部です。ここで登場するのが3Dモデリングツールであり、物理的な創造とデザイン操作の機能を提供します。主要な3Dモデリングツールブランドには、Blender、Rhino、Autodeskなどがあります。

ファイル形式：設計ファイルとデータを損失や破損を防ぐためにエンコード、保存、転送するために使用される方法です。3Dプリントファイル形式は、設計段階とスライス段階（設計ソフトウェアとスライサーソフトウェアを使用）で作成され、STL、OBJ、3MFなどの一般的なオプションが含まれます。

スライサーソフトウェア：スライサーソフトウェアは、コンピュータベースの設計とプリンタ対応の指示を橋渡しするソフトウェアです。これらのツールは、Gコード（プリンタで解釈可能な設計指示）の作成とワークフローパラメータの設定に役立ちます。スライシングソリューションの例としては、PrusaSlicer、Simplify3D、Curaなどがあります。

プリンタ制御および監視ツール

印刷プロセス開始後、メーカーは温度や材料の流れなどのパラメータを監視します。最適な監視ソリューションは、これらのパラメータを追跡し、逸脱を特定して即座に修正するのに役立ちます。3Dプリントプロセス監視ソリューションの代表的なものとしては、OctoPrint、Repetier-Host、MakerBot Printなどがあります。

3Dプリントの設計ヒント

3D プリント中に問題が発生する可能性は、ほとんどの場合、次のベスト プラクティスに従って設計段階で修正できます。

1. 適切な壁の厚さを使用する

壁厚とは、3Dプリント部品の内表面と外表面の間隔のことです。このサイズが小さすぎると部品が弱くなり、大きすぎると反りが生じます。最適な表面壁厚は、部品の構造強度と幾何学的表面精度の両方を向上させます。 

2. 設計におけるレイヤーの向きを最適化する 

ほぼすべての3Dプリント部品において、最も悪名高い弱点はZ軸に沿った部分です。（層構造は、まるで無限に続く恵みのようです。）この層間の弱点を克服するには、部品の荷重がZ軸ではなくXY平面に向くように設計する必要があります。

3. 張り出しや橋を減らす

オーバーハング角度が45度を超えると、たるみや表面の傷が発生する可能性が高くなります。層高を高め、面取りを施すことで、メーカーは部品の品質を向上させ、後工程における時間コストを削減できます。

4. クリーンなフィラメント配合

3Dプリンティング時に発生するガスには、揮発性有機化合物（VOC）や超微粒子（UFP）が含まれます。これらは健康被害を引き起こす可能性があり、近年の研究で肺に侵入する可能性があることが示されています。ガス放出を低減するための適切なフィラメント配合は、3Dプリンティングの効率向上につながるだけでなく、何よりも重要なのは、関係者全員の安全を守ることです。

5. 熱画像センサー 

SLSおよびSLMプロセスでは、火傷や爆発を引き起こす可能性のある極端な熱が発生することがよくあります。制御が不十分な場合、職場での負傷、その後の訴訟、そして多額の罰金につながる可能性があります。予測アルゴリズムと熱監視センサーの活用は、安全性確保の第一歩です。3Dプリンティング設計エンジニアは、密閉されたチャンバーを構築し、すべての造形プロセスをそのような密閉空間内で行うことも検討する必要があります。

アプリケーションと業界のユースケース

3Dプリンティング技術は今や消費者にとって身近なものとなり、アート作品、カスタム製品、パーソナルアイテムの制作において広く利用されています。しかし、産業規模で見ると、これらが3Dプリンティング分野の成長を牽引する主要なユースケースとなっています。

• 家電製品の筐体
• 美容・化粧品アクセサリー
• ウェアラブルおよびスマートデバイスの部品
• カスタマイズされたパッケージング 
• 組み込み電子機器 

結論

従来型のメーカーは当初、3Dプリンティングを業界にとって破滅的な脅威と見なしていました。しかし今日では、3Dプリンティングと従来の製造業は共存しています。3Dプリンティングによって、ユニークな製品開発の大きな可能性が開かれています。適切な設計と印刷プロセスの最適化により、素晴らしい成果を達成することができます。 

よくあるご質問