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3Dプリンターの造形方式は大きく分けて、「熱溶解積層方式（FDM法）」、「光造形方式（STL法）」、「粉末焼結方式（SLS法）」、「インクジェット方式」、「粉末積層方式」の5つがあり、造形方式によって使える材料が異なります。
例えば、熱溶解積層方式ではABSなどのプラスチック樹脂が造形できます。造形の特性上、積層痕や0.2mm～0.5mm程度の造形誤差が生じます。そのため、ジュエリーの原型などの小さいものの造形には不向きですが、ドライヤーのグリップ程度の大きさのものであれば、握った感触や大きさを検討するためには十分です。
逆に、インクジェット方式のアクリル樹脂では小さいものでも積層痕がすくなく滑らかな形状も表現できるため、小さいものや表面仕上げに時間がかかるものを出力するのに適しています。
このように、造形方式と材料による違いを理解しておくことで、最適な試作や製品の製造が可能になります。
以下、それぞれの造形方式の特徴となります。
3Dプリンターの造形方式①. 熱溶解積層方式（FDM法）
FDM造形とはFused Deposition Modeling＝熱溶解積層方式の造形方法の事で、業務用でも使われている熱に溶ける樹脂を、一層ずつ積み上げていき造形していく造形方法になります。
溶けた樹脂はすぐに冷えて固まるため、危険性が少なく扱いやすいのが特徴です。
試作品や治具、簡易型の 造形などに適しています。
ただ、素材を溶かして積み上げていくため 断層が目立ちやすいとうデメリットがあり、表面の滑らかさが求められる造形物の出力には向いていません。
使用可能な主な素材：熱可塑性樹脂（ABS、PLA、ナイロンなど）
3Dプリンターの造形方式②. 光造形方式（STL法）
光造形方式は最も歴史が古く、世界で最初に1987年に3Dシステムズ社で実用化されたものがこの方式の3Dプリンターです。
それゆえ製造業などでは、3Dプリンターという言葉よりも「光造形」や「RP」といった言葉の方が浸透している会社もあります。
光造形方式で使用する樹脂は、光硬化性のものになります。
液体状の光硬化性樹脂を、紫外線レーザーで一層ずつ硬化させて積層していき造形します。
高精細かつ表面の滑らかな造形物を作成することが可能です。
使用可能な主な素材：エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂など
3Dプリンターの造形方式③. 粉末焼結方式（SLS法）
粉末焼結方式は、レーザー光線により粉末の材料を焼結させる造形方式です。
粉末焼結方式は光造形法と似たような方式で、ステージ上にある粉末をレーザー光線を照射させて焼結させます。
粉末が硬化したらステージを下げ、この作業をモデルが完成するまで繰り返し行います。
耐久性のある造形物を製作でき、また、金属素材も使用可能なので最終製品や鋳型の製造にも用いられます。
使用可能な主な素材：ナイロン樹脂、セラミック、エストラマー、ポリプロピレン、金属など
3Dプリンターの造形方式④. インクジェット方式
インクジェット方式というと、家庭やオフィスで普段使用している紙のプリンターを思い出すかもしれません。
紙のインクジェットプリンターの場合には、印刷用氏の上に、液状のインクをヘッドから細かい粒子にして吹き付けて文字を印刷していきます。
3Dプリンターの場合には、インクの代わりに液状の樹脂を吹き付けていきます。
液状の紫外線硬化樹脂を噴射して、それを紫外線などの特定の波長の光で照らすことにより硬化させ積層させる方法です。
この方式は、一般に積層ピッチがFDM方式より薄くより細かい造形をすることが可能で、表面の仕上がりも滑らかに仕上がる特徴があります。
そのため、出力したいパーツに対して細かい造形がある場合などに向いています。
また、高速に造形できることも特徴にひとつです。
使用可能な主な素材：アクリル系、ABSライク、PPライク、ポリプロピレンライク、ラバーライク
3Dプリンターの造形方式⑤. 粉末積層方式
粉末積層方式は石膏やでんぷんなどの安価な粉末を樹脂で接着して固め造形します。
そのため粉末固着式積層法とも呼ばれています。
材料コストが安価であり、また造形のスピードも比較的早いのが特徴ですが、この方式の最も大きな特徴はカラーで出力できるということです。
この方式では、白い石膏の粉などに対して造形と同時に造形物の外側に神の印刷などに使用するインクジェットプリンターのインクを吹きつけて着色していきます。
したがって、3DCGによるキャラクターのテクスチャーなどもCGで定義した通りに出力できるため、出力後の塗装などが必要ありません。
色付きで出力できるという優れた特徴がある一方で、非常に脆いという欠点も抱えています。
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金属3Dプリンタには、さまざまな造形方式があります。ここでは、金属3Dプリンタの造形方式を解説します。
バインダージェット方式
バインダージェット方式とは、金属粉末を敷き詰め、そこに液体のバインダーを噴射して固める造形方式です。
造形が済むと、脱脂や焼結の工程によってバインダーを除去します。
バインダージェット方式は、スピーディに造形できる点が大きなメリットです。
今後は、大量生産にも対応できる可能性があります。
ただし、バインダージェット方式で作る造形物は脱脂焼成での収縮を見込んだ設計が必要ですし、
密度が低めになるため、用途によっては注意が必要です。
パウダーベッド方式
パウダーベッド方式は、金属粉末を敷き詰め、レーザービームや電子ビームの照射により金属を溶かす造形方式です。
金属3Dプリンタの造形方式のなかで、最も一般的だといえます。
パウダーベッド方式なら、幅広い素材を加工できます。
ただし、金属粉末を溶かしたうえで固める必要があるため、造形にかかる時間はほかの加工方法よりも長めです。
メタルデポジッション方式
メタルデポジッション方式は、金属粉末の噴射とレーザービームの照射を同時並行で行う造形方式です。
金属3Dプリンタの代表的な造形方式であり、指向性エネルギー堆積法ともよばれる場合もあります。
パウダーベッド方式よりも短時間で造形が可能です。また、金属粉末を除去する工程も必要ありません。
ただし、パウダーベッド方式と比較すると、精度は低めです。また、表現できる形状にも制限があります。
FDM（熱溶解積層）方式
FDM（熱溶解積層）方式は、熱可塑性樹脂材料に金属の粉末を入れる造形方式です。
造形後に熱可塑性樹脂材料を抜く必要があり、脱脂の工程があります。
FDM（熱溶解積層）方式は従来の樹脂3Dプリンタで用いられてきた方式ですが、金属3Dプリンタでも利用できるようになりました。
FDM（熱溶解積層）方式の金属3Dプリンタは、比較的安価で導入しやすいです。
ただし、造形物の収縮率や密度に課題もあります。
WAAM（アーク溶接）方式
WAAM（アーク溶接）方式は、アーク放電の熱を活用して金属のワイヤーを溶かす造形方法です。
価格が安いうえに幅広い素材を使用できるため、導入を検討するケースが増えています。
その他の方式
金属3Dプリンタの造形方式は、ほかにも多くの種類があります。
たとえば、超音速堆積法は、金属粉末が入っている空気を音速の3倍に加速させて吹き付け、金属の粒子を結合させる造形方式です。
新しい造形方式として注目を集めています。
また、液体金属堆積法は、密閉されているカートリッジの液体に液体金属を積み重ねる造形方式です。
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ブラシ付きモータ
ブラシ付きモータは、永久磁石を用いる｢永久磁石界磁型｣と、永久磁石を使わない｢電磁石界磁型｣の2種類に大別されます。
永久磁石界磁型
模型用モータや自動車補機用モータなど、世界で一番多く使われているモータです。電機子の形式により、さらにスロット型、スロットレス型、コアレス型の3種類に分類されます。
電磁石界磁型
電磁石により界磁束を発生させるタイプのモータです。界磁巻線と電機子巻線との結線方式の違いにより「分巻モータ」「直巻モータ」「他励（たれい）モータ」の3種類に分類されます。出力が中型から大型のモータで採用しています。
ブラシレスモータ
ブラシレスモータは、コイルが回転しないので、ブラシと整流子が必要ありません。ロータへの永久磁石装着法の違いから、以下に分類されます。
表面磁石型（SPM：Surface Permanent Magnet）
ロータ外周に永久磁石が貼り付けられている。
埋込磁石型（IPM：Interior Permanent Magnet）
ロータの内側に永久磁石が埋め込まれている。
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試作
製造業において「試作」は、開発を進めていく上で必要な作業の一つです。
通常の試作作業は、実際にモノを作る必要があるためコストや時間、手間がかかります。
しかし3Dプリンターを用いた試作では、3Dデータ上でシミュレーションができるため、実際にモノを作る必要がありません。
そのためコストや時間、手間を大幅に抑えることが可能です。
製造業で具体的に活用されている分野は、次の3つがあります。
医療分野
航空宇宙分野
自動車業界
最終製品
製造業における従来の販売プロセスは、大量生産によってコストを抑えるという手法が取られていました。
しかし、3Dプリンターを使って最終製品を直接製造することが可能となったため、製造プロセスの短縮など、少量生産でもコスト削減が可能です。
その結果、現在3Dプリンターを使って最終製品を作る製造メーカーが増加しつつあります。
例えば、アメリカの航空機エンジンメーカー「GEアビエーション」は、エンジンに搭載する燃焼ノズルを3Dプリンターを用いて製造しています。
型
量産品の原型を作る際に用いる「型」は、従来は手作業で製造されてきました。そのため、人手が必要であり人件費などのコストがかかってしまいます。
そこで、3Dデータを基に製造可能な3Dプリンターを活用することで、コスト削減を図りながら型を制作可能です。
最終製品の形状に応じて型を設計するため、手作業では時間がかかりますが、3Dプリンターを利用することで時間の短縮にもつながります。
したがって、小ロット量産やリードタイム短縮などのメリットが得られる3Dプリンターを用いた製造は、型の製造に適しています。
治工具
治工具とは、加工や組み立てを補助するために使われる工具のこと。3Dプリンターを使用することで、短時間で高精度の工具を製造できます。
3Dプリンターで作製した治工具には、次のメリットが挙げられます。
3Dデータに修正を加えるだけで、治工具の形状を改善可能
治工具の軽量化を図れる
材料の切削工程が少なく、短時間で制作できる
治工具を販売するのではなく、自社の生産作業を効率化させるために使用する場合、小ロット生産が可能な3Dプリンターが適した製造方法です。
建築・建築模型
一般的に建築業界において、建築模型は主に壁や屋根といった面材・棒材を組み合わせて制作されます。
しかし、実際に材料を使用するため長い制作時間がかかってしまい、現在は3Dデータを自在に設計し、3Dプリンターで素早く出力する方法に注目が集まっています。
三次元モデルとして可視化できるうえ、3Dデータを修正するだけで簡単に設計変更が可能です。
さらに面材や棒材を使用することなく、3Dプリンターで出力するため、コストも削減できます。
ジュエリー
ジュエリーはこれまで手作業で作られてきましたが、近年では3Dプリンターが用いられるようになりました。
作り方は、まず3Dデータと3Dプリンターを用いてジュエリーの原型を制作。この原型に金属を流し込むことで、指輪やネックレスなどの完成品まで仕上げます。
3Dデータを用いてシミュレーションを繰り返せたり、試作作業もコストがかからなかったりと、メリットが大きいため3Dプリンターを使って製造されるケースが増えました。
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サポート材は、3Dプリンターでものづくりする上でモデルを支える役割を担います。
飛行機のモデルを作る場合に、機体の羽は宙に浮いており、このような箇所を再現するためには支えが必要です。支えがなければ、せり出した羽の部分が固化する前に崩れてしまいます。
このようなトラブルを防止して、美しいモデルを作るためにもサポート材の仕組みについて学んでおきましょう。
サポート材を使う目的と必要性
サポート材を使う目的は(1)造形物の型崩れを防止する(2)造形物の反りを抑えることです。
(1)造形物の型崩れを防止する
サポート材は造形物の型崩れを防止してくれます。例えば、飛行機の羽など宙に浮く箇所のあるモデルをつくる場合、重さで羽が崩れてしまうこともあるでしょう。重力に耐え切れず、羽が落ちてしまう問題はサポート材でモデルを支えることで解決できます。
(2)造形物の反りを抑える
3Dプリンターの材料は温度によって、膨張や収縮を引き起こします。例えば、ノズルから蓄層された樹脂は急激に冷やされ、液体から固体に状態変化するときに造形物が反れてしまうのです。このような反りを防止するためにサポート材を使用します。
3Dプリンターの造形プロセス
3Dプリンターは押出ノズルから材料を出力して、積み上げてモデルを作っていきます。
［仕組み］
サポート材で土台をつくる
土台の上にモデルを積み上げる
モデルが固まるまで待つ
固まったら、モデルに付着しているサポート材を取り除く
押出ノズルの本数別の造形方法
ノズルからモデルとサポート材が出力されるものだと説明しましたが、3Dプリンターの機種によりノズルの本数が異なります。ノズルの本数により、モデルの造形方法が変わることを理解しておきましょう。
押出ノズル1本
必然的にモデルとサポート材が同じ材料になります。そのため、モデルとサポート材が密着しやすいです。モデルからサポートが上手く取り除けないと苦労してしまうかもしれません。
このような場合は、カッターやペンチなど工具を使用して取り除いてください。モデルに傷を付けたり、破損したりしないように細心の注意を払いましょう。
押出ノズル2本
片方から造形物、もう片方からサポート材が出力できます。このような仕組みにより、別々の材料が利用できることが大きな特徴です。水で溶けるものや手で簡単に剥がせるサポート材を使用できます。
そのため、複雑な構造の造形物を出力したい場合や特殊なサポート材を使用したい場合は、押出ノズル2本が搭載されている3Dプリンターを購入てみてください。
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