3Dプリンター（ 3D Printer ）とは

3Dプリンターは3Dデータ（stlやCADデータなど）を用いて、現実のモデルを作り出す機械のことを言います。3Dプリンターは趣味・ホビー分野で個人的用途で使われるほか、 自動車メーカー・電気機器・住宅メーカーでは製品開発時のプロトタイプ開発用として使われております。さらには、医療分野の中でも特に歯科の分野が活発されるなど、 3Dプリンター私たちの身の回りで幅広く使われております。

樹脂材料を使った製品を作る際、射出成形（Injection Molding）や押し出し成形など使われることが一般的です。射出成形法は、金型を作成し射出成形機を使って、高圧で樹脂を射出して形状を作り上げていく手法になっています。この方法を使うと、初期の金型制作費こそかかりますが、その後樹脂部品は安価で大量に生産することができます。 ロット数が多く、大量生産が求められる製品では、これら手法が用いられることが一般的になっています。

一方で、樹脂3Dプリンティングは小規模生産やプロトタイピングに最適な方法と言われています。樹脂3Dプリンターは、レイヤーを積み上げて製品を作って行きますが、射出成形と違って金型の制作が不要になるため小規模な部品の生産に向いています。さらには、金型では作れない、作りにくい技術的に複雑な形状を作ることができることも、3Dプリンターの特徴の一つになっています。

このように、樹脂の部品作成にはさまざまな手法がすでに存在していますが、その生産規模や事業フェーズに合わせて最適な選択が必要でしょう。

3Dプリンターの種類

3Dプリンターに用いることができる材料は大きく分けると2種類あり、「樹脂」と「金属」があります。本記事では、特に「樹脂」材料を用いた3Dプリンターに関する情報をご紹介します。 今後「金属」の3Dプリンターに関する情報も配信予定ですが、現状は記事の作成中であります。

樹脂3Dプリンター

「樹脂」材料を造形することができる3Dプリンターは大きく4つの種類あります。以下に示します。さらに光造形方式の中にも造形方式の違いから細かく分かれており、SLA（Stereolithography Apparatus）、DLP（Desital Light Processing）、 LCD（液晶ディスプレイ）の3種類の方式があります。

• 光造形方式(SLA・DLP・LCD)
• 熱溶解積層方式（FDM）
• 粉末焼結方式（SLS）
• インクジェット方式

ここで述べた4種類の「樹脂」3Dプリンターがどのような特徴を有しているのか、さらには造形機の価格や違いを簡単ではありますが、表にまとめてみました。さらに詳しい情報を知りたい方は、表の下に各造形方式の詳細を示しておりますのでぜひご確認ください。

光造形方式(SLA・DLP・LCD)

光造形方式はUV（紫外線）によって硬化するUV硬化レジンを材料とし、UV光を当てながら3Dの造形物を作り上げていく方式になります。 まずは以下動画をご覧いただき、光造形がどのように出来上がるのかご確認ください。以下動画は、光造形3Dプリンターを製造・販売するFormlabs社による光造形（SLA方式）の説明動画です。

光造形には大きく3つの造形手法があり、それぞれ「SLA（Stereolithography Apparatus）方式」、「DLP（Desital Light Processing）方式」、「LCD（液晶ディスプレイ）方式」があります。全て、UVライトをレジンに照射して固めていく方式に違いはありませんが、 レジンへのUVライトの照射方法が若干異なります。また、光造形方式で用いるUV硬化レジンは人体に有害なものもあり、手袋をつけて扱いや造形後にIPA（イソプロピルアルコール）などで後処理をする必要があるなど、取り扱いがやや面倒です。

SLA（Stereolithography Apparatus）方式

SLA方式は光造形の1つであり、1本のレーザービームをUV硬化レジンに照射することで、造形物を作り上げていく方式です。造形物の精度はレーザービームの径に依存しますが、一般的には複雑で細かい造形物を作製することができます。 一方で、1本のレーザーで造形物の形を作り上げていくため造形時間がかかってしまうこと、造形エリアを大きくすることが難しいことなどが懸念点としてあります。最近では複数本のレーザを同時に使って造形できる3Dプリンターも販売されており、 従来の課題が解決されつつあります。

DLP（Desital Light Processing）方式

DLP方式は会議室などで使うプロジェクターのようなライトをUV硬化レジンに照射することで、造形物を作り上げていく方式です。SLA方式では1本のレーザーによる造形であったため、造形時間がかかっていましたが、DLP方式ではUVライトを1度に1層分照射することができるため、 造形スピードを比較的早くすることができます。一方で、大きな造形物を作るために照射面積が広くすると、プロジェクタの解像度が落ちてしまうため、大型の造形には向いていません。

LCD（Liquid Crystal Display）方式

LCDは日本語で「液晶パネル」と呼ばれ、多くの方に馴染みがあるのではないでしょうか。LCD方式はUVライトを照射し、LCDパネルを通してUV硬化レジンに光を当てる方式です。光を当てたい部分だけLCDパネル側で光を通すように制御することで、造形物を作製することができます。 LCD方式は、DLP方式同様に光を面で照射するため、造形時間を比較的早くすることができます。造形物の精度はLCDパネルの解像度に依存し、一般的なホビー用光造形プリンターでは、4Kのパネルを使われています。しかし、8Kパネルを搭載する機械なども販売されてきており、 日々精度向上が図られています。構造がシンプルであり、LCDパネルは安価であることから、LCD方式の3Dプリンターはかなりお手頃価格で購入することができます。

熱溶解積層方式（FDM）

熱溶解積層方式（FDM）は、材料を熱で溶かして造形物を作り上げていく方式です。ケーブル状の樹脂材料を溶かし、ノズルから出していいきます。一筆書きのようにして、造形物を作り上げていきます。

ノズル先端は100~250度まで温めて材料を溶かし造形物を積層させていきますが、その樹脂が冷めた際に剃りが発生すること、さらに1積層面ごとの積層跡が出てしまうことが課題として挙げられます。

粉末焼結方式（SLS）

粉末焼結方式（SLS）は、樹脂の粉にレーザーを照射し樹脂を溶かしていくことで造形物を作り上げていく方式です。取り出し時には、化石掘りのように粉の中から完成した造形物を取り出していきます。

粉末焼結方式（SLS）では、強力なレーザーで溶かし密度の高い材料を作ることができるため、高強度な材料を造形することができます。さらに、上述の光造形方式やSLS方式では形状保持のために必要となるサポート材が、SLS方式では不要になります。 一歩で、粉を管理するエリアが必要になるため、機器のサイズは大きくなること、造形後はかなり高温であることから冷却のため十分な時間をとる必要があり、取り出しまでに時間がかかることが挙げられます。

インクジェット方式

インクジェット方式は、色付きの造形物を作ることができます。3Dプリンターで出来上がったものに柄付けをする場合、塗装や転写技術を用いて着色することが一般的であり、3Dプリンティングが終わってから柄付け工程を別途行うことが一般的でしょう。しかし、インクジェット方式では直接材料を着色することができるため、 製造プロセスを簡素化することができます。また、仕上がりも非常に綺麗であるためアート分野などでも活用されています。

以下動画ではインクジェット方式を採用しているStratasys社のMaterial Jetting（POLYJET）が紹介されています。英語ではありますがぜひご覧ください。

インクジェット方式の3Dプリンターは光造形方式で用いられる光硬化性材料を使用したものが主流で、Material Jettingとも呼ばれています。Material Jetting方式の3Dプリンターの特徴として、材料に着色や添加剤を追加することができるため、フルカラーでの着色やさまざまな硬度のモデルを造形することが可能です。 Stratasys社のPolyJetでは、光硬化性樹脂をインク状にして吹き付け、そこに紫外線を照射して硬化させることで造形物を作りあげています。