3Dプリンタの方式(種類)と各方式の特徴・用途

3Dプリンタの歴史は今から40年ほど前に国内で考案されました。

当初は産業用途でプロトタイプの部品などを製作するために利用され、当時は大変高価なものでした。

しかし、時間の経過とともに低価格化が進み、民生用の製品を見かけるようになり、ずっと身近な存在となりました。

現在では、使用する材料や加工法により、主に以下のような方式があります。

① 光造形方式 (SLA: Stereo Lithography Apparatus)

「光造形方式」は、光硬化性の液体樹脂の材料を使用して、紫外線レーザー光の照射により一層ずつ積層して形成します。

比較的に大型の部品の製造も可能で、微細性に優れています。

 
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② 熱溶解積層方式 (FDM: Fused Deposition Modeling)

「熱溶解積層方式」は、熱可塑性の樹脂のフィラメント材料を高温で溶かし、ノズルから一層ずつ積層させることで形成します。

高い耐久性や耐熱性に優れていますが、表面の滑らかさなどに欠けます。

 

③ インクジェット方式

「インクジェット方式」には、光硬化性の樹脂をインク状にして吹き付けて、紫外線を照射して固形化させる「MJ方式 (Material Jetting)」と、粉末状の素材に「バインダー」と言われる結合剤を吹き付けて加熱により固める「BJ方式 (Binder Jetting)」があります。BJ方式は「粉末固着積層方式」とも言われます。

いずれも表面が滑らかな仕上がりで、微細性に優れています。

 

④ 粉末焼結積層方式 (SLS: Selective Laser Sintering)

「粉末焼結積層方式」では、粉末状の樹脂や金属に、高出力のレーザー光を照射することで焼結させて形成します。

微細性や耐久性に優れており、鋳型などの製造にも用いられます。

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⑤ シート積層方式

シート積層方式には主に2つの方式があります。

「積層製造方式 (Laminated Object Manufacturing)」は、熱可塑性樹脂の薄いシート間に特殊な接着剤を用いて積層していく手法です。

もう一つは「超音波結合方式(Ultrasonic Consolidation)」で薄い金属シートを超音波により積層結合する方式です。最終工程でカット作業などが生じるため後加工する用途にメリットがあります。

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組立ロボットの利点

組み立てロボットには、作業速度の向上 やヒューマンエラーの防止、技術の熟練が不要になるなどの利点があります。これらの利点を活かして作業を行うことで、安定した品質の確保や業務効率化につながるでしょう。

ここでは、組み立てロボットの3つの利点について詳しく解説します。

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作業速度が向上する

人間の手で作業を行うよりも、組み立てロボットに任せた方が、作業速度が向上します。

組み立てロボットは同じ手順を淡々と繰り返すことに向いており、適切な監視のもとであれば24時間働き続けることも可能です。

常に一定速度で作業を行えるため、安定した成果をもたらすというメリットもあります。

ヒューマンエラーを防ぐことができる

組み立てロボットを導入することで現場の作業を自動化し、ヒューマンエラーの防止につなげることができます。

従来のように人間が作業を行うと、手順の勘違いや疲労による手違いから発生するヒューマンエラーを完全に防ぐことはできません。

しかし、組み立てロボットなら、あらかじめ記憶した通りに作業をこなすことができ、正確な長時間作業が可能です。

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技術の熟練が不要になる

組み立てロボットを導入することで、作業を行うための手順を記録・蓄積できるため、現場で働く技術者が技術を熟練させる必要がなくなります。

後継者不足で新たな技術者を育成できない現場は、熟練者の技術が失われてしまうリスクを抱えています。

しかし、組み立てロボットを導入すれば、ロボットが熟練者の代わりに作業を行えるため、将来に渡って自社の技術力を維持できます。

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砂型の種類

砂型鋳造は、複数の製造法がありますが、ここでは代表的な種類である「生型」と「シェルモールド」の2つについてご紹介します。

生型

生型は、「砂型鋳造の工程・手順」にて解説したような手順で鋳造する手法を指します。鋳物砂を乾燥させず、生のまま鋳造する手法から「生型」と呼ばれています。
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生型で用いる鋳物砂は、骨材としてのケイ砂、粘結剤のベントナイト、その他の添加物などから構成されています。

ケイ砂は、天然産出で優れた耐熱性を有しており、入手が比較的簡単なことから、鋳物作りにおいて古くから利用されています。ベントナイトは粘度岩の一種で、水を加えることで粘結力が得られます。

模型は木型が採用されていることが多いですが、成型することの多い製品では、模型の耐久性が求められるため、金属製の型を用いる場合もあります。

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シェルモールド

シェルモールドは、加熱した金型の上にレジンサンド（細かいケイ砂に熱硬化性のフェノール樹脂の粉末を5%程度混ぜた砂）を粘結剤とした鋳物砂を吹き込み、硬化させる手法を指します。シェルモールドで作られた鋳型は、薄くて貝殻状であることから、「シェルモールド」と呼ばれています。

シェルモールドは、生型に比べて寸法精度が高く、小型や薄肉の製品を作るのに適しています。また、中子を使った複雑な形状の成型にもぴったりです。

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フィラメントの保管方法に関するよくある質問

フィラメント保管の注意点は何ですか？

フィラメント保管において、注意すべきポイントは「高温下での保管」「熱風循環」「水分吸着の防止」の3つです。

フィラメントが湿気を帯びると、3Dプリンターで作製した造形物の品質に悪影響を及ぼしてしまいます。

ステッピングモーターとドライバー

そこで、上記3つのポイントを兼ね備えた保管用品として「フィラメント収納乾燥台」がおすすめです。フィラメントの湿気を防げるうえ、3Dプリンターの操作時に便利な「可動式ラック」が採用されています。

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フィラメントは乾燥保管しないといけませんか？

フィラメントは乾燥保管する必要があります。なぜなら、水分を吸収したフィラメントは品質が低下し、造形物の表面品質や機械的特性が低下するためです。

また、フィラメントの湿気を防ぐために、乾燥保管に加えて「高温状態での保管」や「熱風循環」も重要です。

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金属積層造形のデメリット

金属積層造形にはデメリットもあります。ここでは、主な3つのデメリットを解説します。

情報が少なく費用対効果が予測しにくい

2022年現在、金属3Dプリンタを導入済みの企業はそれほど多くありません。

そのため、技術の用途や、初期費用の回収見込みの予想が難しい側面があります。

また、金属積層造形は、樹脂による造形に比べると導入・維持にかかるコストが割高です。

費用対効果の不透明さから、多くの企業では金属3Dプリンタを試作だけにしか利用できていません。

試作は3Dプリンタを活用し、生産は従来製法という形式が一般的です。

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造形方式に合わせた知識が必要になる

先述したように、金属積層造形には複数の方式があります。

それぞれの造形方式によって強みが異なるため、金属積層造形に詳しい人材がいない場合は方式選定から迷いかねません。

また、造形形状の設計や金属3Dプリンタ設定を理解できなければ装置の運用が難航します。

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大量生産に向かない

パウダーヘッド方式のように、金属3Dプリンタには造形に時間がかかるものも少なくありません。

また、組み付ける部品の場合は、ほぼすべての場合で別途加工が必要となります。

生産スピードと精度がネックとなり、金属3Dプリンタを大量生産に利用しているのは、現時点では一部の企業のみです。

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