3Dプリンタとは

3D-CADにて設計した3次元データから、実物を造形できるのが3Dプリンタです。3Dのデータを薄くスライスしたデータに変換して、そのスライスデータを積み上げながら造形します。ものづくりを大きく変えるのでは?と期待される3Dプリンタですが、当初はRapid Prototypingを略してRP装置と呼ばれ、試作品を素早く製作するための機器として開発されました。

3Dデータ→造形完了→造形モデル完成

3Dプリンタの歴史

近年に脚光を浴びることになった3Dプリンタは、実は40年以上も前から研究されていた技術です。
光造形機として商品化されたのも実は30年も前のことで、RP装置として少しづつ進化して現在に至ります。

1970年代 日本やアメリカなどの先進国が「Rapid Prototyping」の研究を開始。
1980年 名古屋市工業試験所の研究者が光硬化性樹脂を使った光造形法の特許※1を出願(後に審査請求権を失効)。これが現在の3Dプリンタの元祖です。
※1 : 特開昭56-144478:立体図形作成装置
1984年 アメリカの企業が光造形に関する特許をアメリカと日本で出願※2※3
※2 : 米国特許4,575,330:“Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography”
※3 : 日本特許1827066/特開昭62-35966
1986年 アメリカで世界初の3Dプリンタメーカーが誕生。
1986年 アメリカで「粉末焼結造形法(SLS)」に関する特許出願※4
※4 : 米国特許4,863,538“Method and apparatus for producing parts by sele ctive sintering”
1987年 アメリカの企業が光造形機の実用化に世界で初めて成功。
この当時の3Dプリンタは、光硬化性樹脂を紫外線で硬化させるタイプが主流でした。
1989年 アメリカで「熱溶解積層法(FDM法)」に関する特許出願※5
※5 : 米国特許5,121,329 "Apparatus and method for creating three-dime nsional objects"
(日本特許2088100/特開平03-158228「三次元物体を創作する装置及び方法」)
2006年 イギリスの研究者が中心になって、オープンソースの3Dプリンタ開発プロジェクト「RepRap」を起ち上げ。現在の3Dプリンタの多くは、この「RepRap」から派生しています。
2009年 「熱溶解積層法(FDM法)」に関する権利期間が満了となり、特許権が失効。
いくつものメーカーやベンチャー企業が格安で3Dプリンタをリリース。
アメリカでは10万円台の製品も発売されました。
2012年 クリス・アンダーソン著「MAKERS~ 21世紀の産業革命が始まる~」出版。
3Dプリンタの名前が一気に浸透しました。
2013年 オバマ大統領が一般教書演説で3Dプリンタの可能性に言及。
世界的に大きな注目を集めました。
2014年 「粉末焼結造形法(SLS)」に関する権利期間が満了となり、特許権が失効。
各社がSLS方式の3Dプリンタを商品化しました。

なぜRapid Prototypingなのか?

ものづくりの基本はQCDと言われています。そのQCDの観点から3Dプリンタの実力を確認すると試作品を製作する機器として誕生した理由が見えてきます。

Quality Cost Delivery

さらに、3Dプリンタは使えるのが専用材料に限られるのも、用途を限定する一因です。RP装置としてであれば、これらの課題も許容できる範囲だったと考えられます。現時点では、試作品を作るために使用する機器と考えるのが妥当と言えます。

3Dプリンタの用途事例

3D-CADによる商品設計が一般的になる中、画面上だけでは「伝わらない」「把握が難しい」という課題の克服のために3Dプリンタは使われています。3Dプリンタを用いた実物を使ったコミュニケーションは、エンジニア間の意思疎通の正確性を高め、手戻りの防止につながります。そのシーンは、企画構想段階はもちろん量産の検討まで幅広く、実物による確認を増やすことでスピーディに商品化できます。

デザイン→設計→評価→試作→金型→量産→営業→メンテナンス

企画構想

複数のデザイン案を実物にした上で選べる

スケールモデルで従来商品の問題点の洗い出しに

顧客に合わせたグリップのサイズを実物で確認

設計

複雑な機構をしている商品の組立性を事前に確認

ハーネスの取り回しを考慮した設計ができる

ネジからスナップフィットにできないか検討できる

評価

フロアダクト内部に異物が滞留する位置を確認する

基板の発熱量を実物で確認できる

温度帯によってオイルの挙動に問題がないか検証できる

金型検討

成形不良が出ないように、リブを最適化する

適切な抜き勾配を漏れなく追加できる

意匠面を考慮して押出しピンの位置や数を決められる

生産準備

商品に合わせて最適なロボットハンドを複数案で試せる

最終試作が上がってくる前に製造ラインで実験できる

自由曲面を持つ商品の座りを見極められる

量産後

営業でスケルトンモデルを用いて、顧客の納得度を高める

製造設備の一部に応急的に使用する

必要な時に評価治具をスピーディに製作できる

3Dプリンタでフロントローディング

現物でしっかりと評価する

ものづくりは3D化が進み、商品設計から製造までの効率が飛躍的に向上しています。そんな中においても、さらに商品化をスピードアップさせることが求められています。現物確認を怠ってしまうと、大きな手戻りが発生してしまうリスクがありました。

評価を頻繁におこなう開発手法 現物確認を最小化する開発手法

フロントローディングの実践

問題点の発見が下流工程になればなるほど、コストや時間のロスが大きくなります。そこで、早期に課題の抽出を目指すフロントローディングの採用が進められています。3Dプリンタの造形物で評価をすることで、手戻りの最小化につながります。

フロントローディングの概念図

部門間のコミュニケーションに

3Dプリンタの造形物を使ったコミュニケーションは、部門間のやり取りを円滑にします。特に日々の業務で、3D-CADを使用しないエンジニアとの対話にはとても有効です。他部門と対話を増やすことで、負担の大きくなる後工程での手戻りを防止できます。

ものづくり工程

スピードアップ&コストダウン

3Dプリンタの造形物は、デザインやサイズの確認・組立性の評価に使われています。商品開発の初期段階で積極的に造形物を作って評価すれば、後工程での手戻りを防止するのに役立ちます。結果として、スピードアップとコストダウンに貢献します。

フロントローディングで低コスト短納期を実現

3Dプリンタ方式比較

3Dプリンタは1990年~2000年にかけて、4つの代表的な方式が誕生しています。それまであった光造形機と比較して安価で手軽に扱えることから、3D-CADの普及と共に市場に浸透しました。方式によってメリットとデメリットが明確に異なるため、目的に合わせて選定をする必要があります。

熱溶解方式(1990年頃)

おもにコンシューマ向けに低価格で販売されている3Dプリンタが採用しています。熱可塑性樹脂のABSやPLAなどでできたリール状の細いフィラメントを、溶かしながら積み重ねていきます。

熱で溶かした樹脂をヘッドから吐出する→形状に沿って樹脂を一筆書きでなぞる→モデル材とサポート材で積層して造形する
メリット デメリット
  • 安価な機種が多い
  • 市販品に使われるABSなどの樹脂が使える
  • 構造がシンプルで小型の機種が多い
  • 微細な造形ができない
  • 積層界面が脆い
  • サポート材の除去に手間がかかる

粉末接着方式(1990年頃)

石膏などの粉末材料を敷き詰めた上に、形状に沿って接着剤を塗布して固めていく方式です。一般的なプリンタに近い動きで造形していきます。粉末材料に着色することでフルカラーで造形でき、コストも安いというメリットがある反面、強度などのデメリットがあります。

供給された粉末をヘッドがならす→形状に沿って接着剤を塗布する→未硬化の粉末がサポートの役目をして造形する
メリット デメリット
  • フルカラーで造形できる
  • 材料費が比較的安い
  • 造形スピードが比較的速い
  • 石膏を接着剤で固めるだけなので強度に不安がある
  • 強度を確保するために接着処理が推奨されているので手間がかかる
  • 粉末の除去が手間

面露光方式(2000年頃)

光造形の一種で、光源にプロジェクターを使って樹脂を固める方式です。一度に広い面積に紫外線を照射できるため、造形スピードが速く、積層ピッチも細かくできます。最近ではコンシューマ向けの機種も増えています。

プロジェクターからUV光を照射する→形状にあわせてモデル材を硬化させる→モデル材で形状をサポートしながら造形する
メリット デメリット
  • 造形スピードが速い
  • 表面が滑らかに仕上げられる
  • 低価格帯の機種もそろっている
  • 照射範囲を広げると解像度が落ちる
  • 棒状のサポート材を除去する手間がかかる
  • 寸法が出にくい

インクジェット方式(2000年頃)

インクジェットのヘッドから紫外線硬化性の樹脂を噴射し、UVランプで紫外線を照射して固めていく方式です。ヘッドから微細な樹脂を噴射するので、小さな積層ピッチで、なめらかに仕上がります。

形状に沿ってモデル材を吐出する→UVランプにて紫外線を照射して硬化させる→モデル材とサポート材で積層して造形する
メリット デメリット
  • 比較的高精度な造形ができる
  • 複数の材料を混ぜて使用できる機種もある
  • 劣化・変色・変形が起きやすい
  • 比較的高価な機種が多い

試作に求められる3Dプリンタとは

3Dプリンタの用途の1つに、建築模型やフィギュアやアクセサリーの製作があります。粉末接着方式や面露光方式の使い道は、試作や治具よりもそちらの方が多くなります。一方で、組み付けして確認する試作品には、高精度な造形ができるインクジェット方式のニーズが高まっています。

各方式の特性

熱溶解方式 面露光方式 粉末接着方式 インクジェット方式

各方式のターゲット用途

熱溶解方式 面露光方式 粉末接着方式 インクジェット方式

3Dプリンタの価格

3Dプリンタは、安価なものから高価なものまで幅広い価格帯で販売されています。一般に価格は性能に比例しています。主に性能の差は造形精度と造形エリアにあり、これに注目すると、3Dプリンタの価格を比較することができます。

ポイント1:造形精度

造形精度は、設計に近い造形物を出力できるかという性能で、3Dプリンタにとって大切な要素です。そして3Dプリンタの価格は、この造形精度に比例します。

処理速度と本体価格

造形精度に優れるインクジェット方式

インクジェット方式の3Dプリンタには、積層ピッチが細かく、造形中の反りが小さいという特長があります。これにより、高い造形精度で設計に近い造形物の出力を可能にします。他の方式の3Dプリンタに比べ、インクジェット方式の3Dプリンタは決して安価ではありません。しかし、性能という面では大きなアドバンテージがあるといえます。

細かい穴を造形するとき
造形中に反りが出る

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ポイント2:造形エリア

3Dプリンタの最大造形サイズは、造形エリアの大きさで決まります。そして、主に3Dプリンタの価格は、造形エリアの大きさに比例します。

造形エリアと本体価格

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