3Dプリンターとは?さまざまな分野で活用が広がる立体成形法について解説

3Dプリンターとは、立体成型用のプリンターのことで、3Dデータを扱うことのできるCADなどで出力したデータを元に2次元データを重ねる形で立体として出力します。3Dプリンターは現在、製造業をはじめとするさまざまな分野で使用されていて、今後ますます活用の範囲は広まるものと考えられます。この記事では3Dプリンターの基本をご紹介すると共に、活用方法や種類、メリットなどについてご紹介します。

3Dプリンターの活用例

3Dプリンター

3Dプリンターとは?

3Dプリンターとは、立体を成形するための機械です。「3D CAD」など、3Dデータを扱えるソフトウェアなどで製作したデータを、まさにプリンターのように出力して立体成型します。成形の際は、3Dデータを元に2D(平面)の層を重ねることで立体的に成形します。現在、3Dプリンターはさまざまな分野で利用されています。一昔前は革命的技術だった3Dプリンターですが、現在では個人向けの安価な製品も販売されていて、趣味のために購入する方も増加しています。

3Dプリンターの活用例

3Dプリンターは、製造業をはじめとして、さまざまな分野において広く使われるようになりました。業界により用途もまたさまざま。ここからは分野別にどんな用途で3Dプリンターが使われているのか解説していきます。

製造業の場合

製造業は、3Dプリンターがもっとも利用されている業種であることは間違いありません。製造業においては、部品や製品のデザイン、機能を検証する目的でモックアップや試作品を作る場合に3Dプリンターがよく利用されています。3Dプリンターは大きさに限界がありますが、それでも縮小サイズで精密なモデルを作れる3Dプリンターは検証目的に利用するのに最適です。

建築業の場合

縮小モデルという意味では、たとえば巨大な建築物の縮小版モデルの製作にも、3Dプリンターが利用されています。建築前の建物を、コンピュータ上のデータからイメージすることは難しいことですが、たとえ小さくても、まったく同じ縮尺の建物モデルを見ることができれば、実際の建物をイメージしやすくなります。また、3Dプリンターはプロトタイプ的な物の製作に使われることが多いのですが、発展途上国の住宅難解消のために屋根を3Dプリントして製作するというプロジェクトも行われています。

医療分野の場合

3Dプリンターは、医療の世界でも幅広く活用できるとして研究が進んでいます。現在、すでに補聴器の製造プロセスにおいて3Dプリンターは使われているほか、インプラントでも活用が始まっています。
企業や大学での研究においては、3Dプリンターを活用した人工皮膚や関節の量産化技術も生まれています。また、海外には移植用の人工骨を3Dプリンターで製作した例もあります。現在は3Dプリンターによる人工臓器の製作の研究も進んでいます。
動物の医療では、3Dプリンターで甲羅や歯を製作し、ケガをしたり一部の機能を失ったりした動物のために使用されました。

航空・宇宙分野

3Dプリンターは、航空・宇宙関連の部品のように、それほど多くの需要がなく、しかも形が複雑という特徴を持つ部品や製品を作るのにぴったりです。たとえば工場ですでに部品の生産ラインが止まってしまった古い飛行機の部品は、3Dプリンターならかんたんに作ることが可能で、すでにオンデマンドレベルでも採算がとれる程度の補修部品製造技術は確立されています。
また、3Dプリンターの宇宙での利用に向けた研究も進んでいて、2014年にはすでに、国際宇宙ステーションに3Dプリンターが運び込まれています。この研究により、迅速な部品供給が難しい宇宙空間においても、将来的に宇宙ステーション内で部品の製作と修理対応することが期待されています。

3Dプリンターのプリント方式とメリット

3Dプリンター

3Dプリンターの種類とそのメリットについてご紹介します。

材料押出堆積法(FDM)

材料押出堆積法は、熱溶解積層法とも呼ばれる3Dプリンターのプリント方式です。ABS樹脂などの熱可塑性樹脂を溶かし、ノズルから出すその樹脂で成形する技術です。低価格の3Dプリンターのほとんどが採用する方式になります。
粉末や硬化樹脂ではないので安全に使えることがメリットです。

マテリアルジェッティング

マテリアルジェッティングは、インクジェット方式と呼ばれることもある3Dプリンターのプリント方式です。硬化性を持つ樹脂を、インクジェットプリンターのような仕組みで噴射します。
細かな操作が可能なため、繊細な造形に適していて、表面仕上げができることがメリットです。

光造形法

プール内に液体の光硬化性樹脂を入れ、レーザーを照射することにより成型するプリント方式です。細かい造形と精度に優れています。

粉末焼結積層造形

粉末焼結積層造形は、粉末状の素材にレーザーを照射し、焼結させて造形するプリント方式です。剛性の高さがメリット。

3Dプリンターで使用する代表的な素材

3Dプリンター

現在の3Dプリンターは、多くの素材を利用できるようになりました。ダメージに強い素材や熱に強い素材、柔軟性に優れた素材などもありますが、すべてに使える便利な素材はまだありません。そのため、利用目的に合致した素材を選ぶ必要があります。もちろん、3Dプリンターにはタイプがありますので、素材に対応した機械を選ばなければならないことは言うまでもありません。

ABS

ABS樹脂は、電化製品などの外装に使われる素材として知られていますが、比較的強く、加工がしやすいという特徴からも、その人気の高さをうかがい知ることができるでしょう。ABSは材料押出堆積法に対応します。

ABSライク

ABSライクは光硬化性アクリル樹脂で、耐久性はあまりないものの、機能試験などに向く素材です。マテリアルジェッティングに対応します。

ASA

ABSに似たタイプの樹脂ですが、ABSよりも耐候性に優れるため、野外で使用する物に適した素材です。材料押出堆積法に対応しています。

PC-ABS

PC-ABSも電化製品のほか、さまざまな製品の外装などに使われている素材です。強度や柔軟性、耐熱性などをちょうど良く備えていることが特徴。材料押出堆積法に対応しています。

PLA

PLAは、ポリ乳酸とも呼ばれ、植物に含まれる乳酸が使われているプラスチックです。扱いやすく造形しやすいことから、3Dプリンター初心者に適していますが、強度はあまり持ち合わせていません。材料押出堆積法に対応しています。

PPライク

PPライクは、ポリプロピレン製品のシミュレート用に使われる素材です。マテリアルジェッティングに対応しています。

ポリカーボネート

ポリカーボネートは、高い耐久性を持つ素材で、主に自動車や精密機械のパーツに多く利用されています。材料押出堆積法に対応しています

ゴムライク

ゴムライクは、その名のとおりゴムのように柔軟な樹脂です。マテリアルジェッティングに対応した素材です。プリンターによっては硬さの調整ができる場合もあります。

石膏

おなじみの石膏は、模型などの成型に向く素材です。表面がざらつくため機能評価には向きませんが、プリンターによっては着色できるものもあります。バインダージェッティングに対応しています。

ナイロン12

ナイロン系の素材はいくつかありますが、ナイロン12は優れた強度、耐摩耗性と柔軟性を兼ね備えていて、機械の部品によく使われます。材料押出堆積法と粉末焼結積層造形に対応しています。

光硬化性アクリル樹脂

光を当てると固まる特性を持つアクリル樹脂です。出来上がりが半透明になるという特長があるため、このような造形物にはぴったりと言えるでしょう。紫外線の影響を受けやすいので、屋外で使う物や長期的に使う物には向きません。マテリアルジェッティングや光造形法に対応しています。